[가스신문 = 양인범 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀은 포항공과대학과 연세대학교와 공동연구를 통해 산소 환원 반응과 발생 반응을 모두 보이는 팔면체 구조의 양기능성 백금-니켈 합금촉매를 이용해 전극의 가역-내구성을 향상하는 방법론 개발에 성공했다고 밝혔다.

양기능성 촉매란 하나의 촉매를 사용해 물에서 수소와 산소를 동시에 생산하는 차세대 촉매다. 현재 수전해 기술, CCU(이산화탄소의 포집 및 활용) 등 전기화학 시스템에서는 양쪽 전극에 별개의 촉매를 활용하기 때문에 수소의 생산 단가가 높다. 반면 1개의 생산공정으로 합성이 가능한 양기능성 촉매는 생산비용 절감이 가능해 전기화학적 에너지 전환 기술의 경제성을 높일 수 있는 기술로 주목받고 있다.

하지만 양기능성 촉매는 수소와 산소를 발생하는 각각의 전기화학 반응을 진행하고 나면 전극 물질의 구조변화로 인해 다른 반응 성능이 낮아진다는 문제가 있다. 이 때문에 양기능성 촉매를 상용화하기 위해서는 반응 후에도 장기간 촉매구조를 유지할 수 있는 가역-내구성 확보가 중요하다.

연구팀은 양기능성 촉매의 가역-내구성을 높이기 위해 각각 산소 환원반응과 발생 반응에서 높은 성능을 보이는 백금과 니켈을 섞어서 다양한 구조의 합금촉매를 합성했다. 실험 결과 팔면체 구조일 때 니켈-백금 간의 상호작용이 가장 활발했으며, 이 합금촉매는 백금, 니켈 단일 물질로 제작한 촉매대비 산소 환원반응과 발생 반응 성능이 2배 이상 높았다.

또한, 합금촉매의 반복적인 발생 반응 과정에서 생성되는 백금 산화물이 성능 감소의 원인임을 확인해 백금 산화물을 백금으로 환원시키는 구조복구 방법론을 개발했다. 연구팀은 전자 현미경을 통해 연구팀이 개발한 방법론 적용 시 촉매의 형상이 복구되는 것을 확인했으며, 상용화를 위한 대면적 반응기 실험에서도 촉매 형상 복구에 성공해 구동 시간을 2배 이상 늘렸다.

연구팀이 개발한 양기능성 촉매와 구조복구 방법론은 기존에 산소 발생과 환원 반응을 위한 별개의 촉매를 양기능성 촉매로 대체해 일체형 재생 연료전지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 수소와 전력 생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지는 높은 가격의 촉매의 투입량을 줄이면서도 성능을 유지할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있다.

KIST 오형석 책임연구원은 “촉매의 가역-내구성 향상 기술은 전기화학적 에너지 전환 시스템에 중요기술인 양기능성 촉매 개발에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며 “향후 일체형 재생 연료전지와 같은 전기화학 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’(2020M3H7A109822921) 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’(CAP21013-100)으로 수행됐다. 연구결과는 저명 국제저널 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 27.8, JCR 분야 상위 2.5%) 최신 호에 게재됐으며, Back Cover 이미지에 선정됐다.