고려대-KIST, 수전해용 고안정성 루테늄 촉매 설계 “산성·고전압에도 끄떡없다”

△ 해당 연구에서 개발된 촉매의 형성과 작동 원리를 도식화한 그림. 열처리 과정에서 백금-니켈 나노구조 표면의 루테늄이 내부로 이동하면서 루테늄 산화물과 백금이 조밀하게 연결된 ‘모자이크형 이종계면’이 형성된다.

고려대학교(총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 고려대 KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀과 함께 산성 수전해 촉매의 활성과 내구성을 동시에 향상시키는 차세대 나노촉매 설계 전략을 제시했다.

수전해는 물을 수소와 산소로 분해해 그린수소를 생산하는 핵심 기술이다. 효율적인 그린수소 생산을 위해서는 산성 환경과 높은 전압 조건(고전위)이 필요한데, 이때 촉매의 성능이 저하(열화)되는 문제가 발생한다. 특히 수전해 장치의 양극에서 일어나는 산소발생반응은 4개의 전자가 관여하는 복잡한 반응으로, 반응 속도가 느리고 에너지 효율을 낮추는 주요 원인으로 꼽힌다. 이에 고활성·고내구성 수전해 시스템 구현이 중요해지고 있다.

루테늄 산화물 촉매는 기존에 널리 사용되는 이리듐 산화물 촉매보다 산소발생반응 활성이 높고 비용 부담이 낮다는 장점이 있다. 하지만 산성 고전위 조건에서 루테늄이 쉽게 과산화되어 녹아내리기(용출) 때문에 장기적으로 내구성이 떨어지는 문제가 발생했다.

연구팀은 루테늄 산화물 촉매의 내부 구조를 새롭게 설계해 불안정성을 해결했다. 먼저 속이 빈 다중 프레임 형태의 백금-니켈 나노구조 표면에 루테늄을 성장시키고 열처리를 진행했다. 이때 니켈이 산화되며 구조 내부에 미세한 변형이 발생했고, 이 힘에 의해 표면에 있던 루테늄이 내부로 이동했다. 그 결과 루테늄 산화물과 백금이 조밀하게 연결된 ‘모자이크형 이종계면’이 형성됐다. 쉽게 말해 백금과 루테늄 산화물이 나노 크기의 내부에서 마치 모자이크처럼 촘촘히 맞닿는 구조다. 

*이종계면: 성질이 전혀 다른 두 가지 물질이 나노 단위의 구조에서 서로 밀착해 있는 초미세 경계면

이 구조는 산소발생반응 중 루테늄 산화물의 불안정한 산화 상태를 억제하는 데 효과적이었다. 반응이 진행되는 동안 루테늄 산화물은 ‘안정한 산화 상태’를 유지하는 반면, 인접한 백금이 먼저 산화되며 이 과정에서 발생하는 전하를 우선적으로 받아들이는 것으로 나타났다. 즉, 백금이 일종의 ‘전하 완충재’로 작용해 루테늄 산화물이 용출되기 쉬운 과산화 상태로 변하는 것을 억제했다. 

*안정한 산화 상태: 금속이 파괴되거나 녹지 않고, 구조적으로 가장 단단하면서도 일을 가장 잘할 수 있는 최적의 결합 상태

그 결과 연구팀이 개발한 ‘모자이크형 이종계면’ 구조의 촉매는 산성 조건에서도 높은 활성과 장기 안정성을 동시에 나타냈다. 해당 촉매는 일정한 전류 밀도 조건(10mAcm-2)에서 168mV의 낮은 과전압을 보였으며 540시간 이상 안정적으로 작동했다.

*과전압: 수전해 반응에서 촉매의 비효율성 때문에 추가로 들어가는 전기 에너지(손실 전압)을 말한다

이광렬 교수는 “이번 연구는 나노촉매 내부에서 원자의 이동 방향을 정밀하게 제어함으로써 기존 방법으로는 구현하기 어려웠던 고밀도 이종계면 구조를 형성한 사례”라며 “이러한 합성 전략은 산성 수전해 촉매를 넘어 다양한 고성능 에너지 촉매 설계에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이어 “향후 실제 수전해 시스템에서 상용 촉매를 뛰어넘는 고활성·고내구성 촉매 개발로 연구를 확장할 계획”이라고 덧붙였다.

본 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials(IF=26.0)’ 온라인에 5월 7일 게재됐다. 

*논문명: Strain-Directed Ru Redistribution to Form RuO2/Pt Mosaic Heterointerfaces for Acid-Stable Water Oxidation

*DOI: 10.1002/aenm.71043

*URL: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71043

본 연구는 리더연구사업, 현대자동차 산학과제, 박사후 국내연수 사업, KIST 기관고유사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대&KIST 박예지 박사(제1저자), 고려대 화학과 김도엽 박사과정(제1저자), 고려대 KU-KIST융합대학원 백서인 교수(교신저자), KIST 수소ㆍ연료전지연구단 유성종 박사(교신저자), 고려대 화학과 이광렬 교수(교신저자)