고려대-성균관대-KIST 공동연구팀
효율과 안전성을 높인 음이온 교환막 수전해 촉매 소재 개발

▲  (왼쪽부터) 홍용주 박사 (제1저자, 고려대학교), 정상연 (제1저자, 고려대학교), 유성종 박사 (교신저자, 한국과학기술연구원, KIST), 이상욱 교수 (교신저자, 성균관대학교), 이광렬 교수 (교신저자, 고려대학교)

고려대-성균관대-KIST 공동 연구진이 그린 수소 생산 비용을 대폭 절감하는 소재를 개발했다. 해당 연구는 중요성을 인정받아 지난 2일 재료과학 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (Impact Factor: 24.4, JCR 상위 분야 3%)에 게재됐으며 후면 속 표지 논문(inside back cover)으로 선정됐다.

고려대학교 화학과 이광렬 교수 연구팀, 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀은 루테늄 인화물(Ru₂P)과 이리듐 인화물(Ir₂P)로 구성된 2D/0D 이종 구조 촉매를 개발하여, 효율적인 수소 생산을 위한 혁신적인 해결책을 만들었다.

음이온 교환막 수전해 (AEM) 기술은 알카라인 수전해 (AEC)와 고분자 전해질막 수전해 (PEM)의 우수한 특성을 결합한 혁신적인 차세대 수전해 기술이다. 그러나 이 방식은 고성능을 위해 귀금속인 백금을 촉매로 사용하여 가격 경쟁력이 떨어져 새로운 소재 개발이 필요한 상황이다.

연구팀은 ‘음/양이온교환’이라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어하여 이리듐, 루테늄, 인으로 구성된 이성분계 물질(Ru2P/Ir2P)을 2D/0D 복합 구조의 나노튜브 형태로 구현하는 데 성공했다. 이 복합 구조는 높은 표면적과 함께, 루테늄 인화물(Ru₂P)과 이리듐 인화물(Ir₂P) 간의 시너지 효과를 통해 기존 촉매보다 수소 생산이 크게 향상되어, 더 효율적인 수소 생산이 가능하다.

수전해 촉매의 성능평가 결과에 따르면, 개발한 루테늄 인화물(Ru₂P)과 이리듐 인화물(Ir₂P) 기반의 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 12.23 A/cm-2의 전류밀도를 나타냈다. 이는 상용 촉매인 백금 촉매의 전류밀도 10.90 A/cm-2 보다 우수하며, 약 250시간 이상의 장기 내구성을 보였다.

이광렬 교수는 “음/양이온 교환'이라는 독창적인 접근을 통해 새로운 이종 구조 촉매를 개발한 중요한 성과”라고 밝히며, “이를 통해 수소 생산 효율을 높일 수 있는 고성능 촉매 개발에 기여했으며, 향후 그린 수소 기술의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 것으로 기대된다”고 밝혔다.

[그림 1] 

[그림1 설명] Ru2P/Ir2P 이종구조 나노촉매의 합성법, 구조 및 촉매 활성 원리 분석에 대한 개략

[그림 2] 

[그림 2 설명]  ‘이온교환’ 방법으로 개발한 Ru2P/Ir2P 이종구조 나노튜브 촉매의 원소 및 결정 분석

[그림 3] 

[그림 3 설명] Ru2P/Ir2P 이종구조 나노튜브 촉매를 활용하여 최적화한 음이온 교환막 수전해와 상용 Pt/C 기반의 음이온 교환막 수전해의 성능 및 내구성 평가.