KAIST 연구팀, 기존 촉매 대비 효율 20배 이상 높인 수소 생산 나노촉매 개발

↑ 성냥개비 탑 형상의 3차원 수소 촉매 및 성능. [사진 제공 = KAIST]

기존 촉매 대비 효율이 20배 이상 향상된 수소 생산 나노촉매가 개발됐다.
8일 한국과학기술원(KAIST)는 정연식 신소재공학과 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 김진영 박사의 공동 연구팀이 수소 생산에 사용되는 기존 촉매 대비 20배 이상 효율을 높인 신개념 3차원 나노촉매 소재 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 특히 이번 연구는 태양전지 또는 잉여 전기에너지를 이용해 물을 전기분해해 친환경적으로 수소를 얻는 '고분자 전해질막 수전해' 기술의 효율을 높여 더욱 주목받고 있다.
수소는 친환경적이면서 높은 효율을 가지고 있다는 점에서 매력적인 에너지로 꼽히고 있다. 하지만 친환경적으로 수소를 생산할 수 있는 수전해 기술은 고가의 이리듐(Ir) 촉매를 사용해 너무 비싸다는 단점이 있었다. 연구팀은 이 비용을 획기적으로 감축할 수 있는 새로운 개념의 3차원 촉매소재 기술을 개발했다.
연구팀은 3차원 프린팅과 유사한 원리인 초미세 전사프린팅 적층 기술을 활용해 '성냥개비 탑(Woodpile)' 형상의 3차원 이리듐 촉매 구조를 인쇄 방식으로 제작하는 기술을 개발했다. 무작위적 형상과 배열을 가지는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리 3차원 촉매는 규칙적 구조를 지니고 있기 때문에 촉매 표면에서 생성된 가스 버블(bubble)이 효율적으로 잘 빠져나오는 특징을 갖는다. 연구팀 관계자는 "결과적으로 3차원 촉매의 경우 높은 활성도를 유지한다"고 설명했다.
성냥개비 탑 형상의 3차원 촉매를 사용하게 되면 훨씬 더 적은 양의 이리듐을 사용하고도 전기분해 장치의 성능을 더 높게 구현할 수 있다. 이리듐 질량 당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상의 높은 효율을 보일 정도의 획기적인 기술이다.
정연식 KAIST 교수는 "연구팀이 개발한 3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 주로 의존하던 기존 기술의 패러다임을 뒤집은 것"이라며 "향후 이산화탄소 전환, 배기가스 감축 등 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 강조했다. 한편 이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인판에 지난 1일 게재됐다.
[이종화 기자]