[위즈뉴스] 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다.

하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 이러한 가운데 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐이나 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다.

KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진)는 18일, 수소·연료전지연구센터 박현서 박사와 유성종 박사 연구팀이 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다.

고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘Applied Catalysis B:Environmental(IF= 24.319)' 온라인판 최신호에 게재됐다.

논문명은 'High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction'이며, KIST 박현서 박사와 유성종 박사가 공동 교신저자로, KIST 오진호 박사과정생과 로렌스 리버모어 국립연구소 정희윤 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

"그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구"

연구팀의 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며 “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용 장치에 적용하게 될 것”이라고 말했다.

일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다.

이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다.

연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다.

이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다.

또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다.

[그림설명]
(A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양 (빨간색-이리듐 촉매/녹색-백금)
(B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양 (빨간색-이리듐 촉매/녹색-질화철)

개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다.

뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다.

이번 연구는 산업통산자원부 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행됐다.

정 현 기자 다른기사 보기