수소 생산·발전 동시에…일체형 연료전지용 고성능 촉매 개발

자료출처 연합뉴스

일 자 2024.3.7

KIST 오형석 박사 "양기능성 촉매 성능 향상…수소 생산단가↓·내구성↑"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 물만 공급하면 전기 분해를 통해 수소를 생산하면서 동시에 발전까지 하는 일체형 재생 연료전지(URFC)에 사용할 수 있는 양기능성 촉매의 성능을 획기적으로 높이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

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일체형 재생 연료전지 구동 모식도

양기능성 촉매를 적용할 수 있는 일체형 재생 연료전지의 반응 모식도. 산소 발생 반응이 적용된 물 분해 반응(왼쪽)과 산소 환원 반응이 적용된 연료전지 반응이 통합된 일체형 재생 연료전지는 양기능성 촉매가 필수적이다. [한국과학기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

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한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 7일 포항공대·연세대와 공동 연구로 산소 환원 반응과 발생 반응을 촉진하는 팔면체 구조 양기능성 백금-니켈 합금을 이용해 일체형 재생 연료전지용 양기능성 촉매의 성능과 경제성을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

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양기능성 촉매는 물을 분해해 수소와 산소를 생산할 때 양쪽 전극에 별개 촉매를 사용하는 기존 전기화학 시스템과 달리 촉매 하나로 수소와 산소를 모두 생산할 수 있다. 촉매를 하나만 사용하기 때문에 촉매 생산 비용을 절감할 수 있고 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성도 높일 수 있다.

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양기능성 촉매를 이용한 일체형 재생 연료전지는 물을 공급하면 물 분해로 생산한 수소로 전기를 만들고 이때 다시 물이 생성되는 과정이 반복되기 때문에 수소 공급이 어려운 고립된 지역이나 잠수함, 우주선 등에 사용될 수 있다.

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하지만 고가의 백금(Pt)과 이리듐(Ir)을 사용하는 양기능성 촉매는 비용이 많이 들고 전기화학 반응을 진행하고 나면 사용된 백금 등 물질의 구조변화로 반응 성능이 낮아지는 문제가 있다. 양기능성 촉매 상용화를 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매 구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다.

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연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금 촉매를 합성하고, 합금 촉매가 팔면체 구조일 때 성능이 가장 우수하다는 사실을 확인했다.

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이 촉매는 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간 상호작용이 가장 활발하고, 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매 대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높은 것으로 나타났다.

반응 단계별 촉매 표면의 X선 광전자 분광법 분석

반응이 진행되면서 산화된 백금이 전기화학적 구조 복구 이후 백금으로 99% 복구되는 것으로 확인됐다. [한국과학기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

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연구팀은 또 이 합금 촉매가 반응에 반복적으로 사용되는 과정에서 백금 산화물이 형성되면서 성능이 떨어진다는 사실을 확인하고, 백금 산화물에 전기를 가해 다시 백금 상태로 환원시키는 구조복구 방법도 개발했다.

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이 방법을 사용하면 백금 촉매 성능이 99% 회복되고, 복구된 합금 촉매는 수소 생산 과정과 전기를 생산하는 과정을 10차례 반복하는 동안 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.

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연구팀은 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 비싼 촉매 투입량을 줄이면서 성능을 유지할 수 있어 생산 비용을 낮출 수 있다며 특히 촉매 구조 복구 기술이 이를 상용화하는 데 기여할 것으로 기대한다.

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오형석 박사는 "촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요한 양기능성 촉매 개발에 새 방향성을 제시한 것"이라며 "향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 것"이라고 말했다.

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이 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 최신호에 게재됐다.