[H2-TECH] 청정수소 생산 촉진할 신개념 촉매 개발 잇따라

청정수소 생산을 촉진할 신개념 촉매들이 잇따라 개발됐다.

한국화학연구원은 높은 암모니아 분해 효율 보유한 비귀금속 기반 촉매를 개발했다. 광운대학교는 세계 최초로 그린수소를 생산할 크롬 도핑 전기촉매를 선보였다. 

또 카이스트는 울산과학기술원, 한국과학기술연구원과 백금 사용량을 획기적으로 낮춘 AEM 수전해 셀을 만들었고, 한양대학교는 한국과학기술연구원과 기존 알칼라인 수전해 촉매보다 수소이온형성 속도와 수소 발생 반응 속도가 빠른 촉매를 개발했다.

화학연구원, 코발트-철 기반 암모니아 분해 촉매 개발

한국화학연구원 이수언·채호정 박사팀은 코발트-철(CoFe) 기반 층상 이중산화물(LDO)에 세륨산화물(CeO₂)을 도입해 낮은 온도에서 높은 암모니아 분해 효율을 가진 촉매를 개발했다.

암모니아를 수소와 질소로 분해하는 화학반응 공정 때 촉매를 사용하면 기존보다 낮은 온도에서 분해 효율을 높일 수 있다. 주로 사용되는 촉매가 귀금속인 루테늄으로 만든 촉매다. 이 촉매는 가장 우수한 성능을 보이나 가격이 비싼 데다 높은 분해 효율을 위해 높은 온도가 필요하다.

이에 연구팀은 CoFe 기반 층상 이중산화물에 CeO₂을 추가한 비귀금속 촉매를 개발했다. CeO₂를 추가한 것은 금속 입자들의 뭉침을 방지하기 위해 촉매 표면 구조를 조정할 수 있는 데다 독특한 산화-환원 특성을 이용해 촉매의 전자 특성을 조절할 수 있기 때문이다.

이는 암모니아를 분해하는 과정에서 가장 많은 시간을 소요하는 ‘촉매 표면에서의 질소의 재결합-탈착 반응’이 원활해지도록 도와주기 때문에 암모니아 분해 반응을 촉진할 수 있다.

그 결과 해당 촉매는 450°C에서 최고 81.9%의 암모니아-수소 전환율을 달성했다. 이는 500°C에서 44~72%의 전환율을 달성한 다른 촉매들보다 높은 효율을 보인 것이다. 특히 채호정 박사팀이 지난 2022년에 개발한 니켈 촉매(450°C 온도, 45% 전환율)보다 좋은 결과를 보였다.

연구팀은 향후 추가 연구를 통해 촉매의 저온 수소 생산 성능을 향상하고 최적화 과정을 거쳐 2030년경 상용화를 목표로 하고 있다.

광운대, 세계 최초로 크롬 도핑 NiBP 전기촉매 개발

광운대학교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀과 아하산 연구원은 2단계 열수 접근 방식과 사후 어닐링 기법을 통해 크롬이 도핑된 니켈-붕화물-인화물 미세구 전기촉매(Cr/NiBP MS)를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 고전류·고온 산업 운용 조건에서 그린수소를 생산할 수 있는 전기촉매를 개발하기 위해 이번 연구를 진행했다.

이를 위해 금속을 특정 온도로 가열한 다음 천천히 냉각해 연성을 높이고 경도를 낮추며 내부 응력을 완화하는 어닐링 공정과 2단계 열수 접근 방식을 결합하는 방식을 채택했다.

이 방식으로 촉매를 제작한 결과 소량의 Cr(크로뮴) 원자 통합으로 활성 부위와 고유 특성을 크게 향상시켜 수분 해리와 신속한 중간체 형성을 가속화할 수 있었다.

또 1M KOH 내 100mA/㎠에서 78mV 및 250mV 전위에 걸쳐 낮은 수소 발생 반응과 산소 반응 전압을 보였다. 이는 기존 촉매전극의 성능을 능가하는 것이다.

여기에 안정적인 수소 생산 성능을 240시간 이상 유지해 빠른 응답, 부식 방지 등 여러 산업 작동 조건도 충족했다.

KAIST·UNIST·KIST, 백금 촉매 사용량 줄이는 기술 개발

KAIST 생명화학공학과 이진우·김형준 교수, 울산과학기술원(UNIST) 신승재 교수, KIST 김호영 박사는 음이온교환막(AEM) 수전해 셀의 성능과 안정성을 획기적으로 높인 귀금속 단일 원자 촉매를 개발했다.

AEM 셀은 고순도 수소를 다량으로 생산할 수 있는 차세대 수전해 기술이나 백금, 이리듐, 팔라듐 등 가격이 비싼 귀금속을 기반으로 하는 촉매를 사용하기 때문에 경제성이 떨어진다.

연구팀은 귀금속 촉매의 열화 메커니즘을 역이용하는 ‘자가조립원조 귀금속 동적배치’ 전략을 개발했다. 이는 1,000℃ 이상의 고온에서 귀금속이 자발적·선택적으로 탄화물 지지체에 단일 원자로 분해돼 안정적으로 담기는 합성 기술이다.

단일 원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 고립된 형태로 담겨 높은 귀금속당 촉매 효율을 나타낸다. 그러나 주로 저온 합성법으로 만들어지기 때문에 안정성과 밀도가 떨어져 제대로 된 성능을 확보하기가 어렵다.

이에 연구팀은 귀금속 전구체와 고분자 사이의 분자적 상호작용 및 귀금속-지지체 사이의 상호작용을 응용해 ‘자가조립원조 귀금속 동적배치’라는 새로운 단일 원자 촉매합성 메커니즘을 개발했다.

이를 통해 만들어진 촉매는 염기성 조건 수소 생성반응에서 높은 안정성을 기반으로 높은 밀도의 귀금속 활성점을 통해 현행 백금 촉매 대비 5배 높은 귀금속당 수소 생산 성능을 구현할 수 있었다.

특히 해당 촉매는 현행 백금 촉매 대비 10분의 1 수준의 백금 사용량에도 불구하고 3.38A/㎠(@ 1.8V)의 높은 성능을 기록했으며, 1A/㎠의 산업용 전류밀도에서도 우수한 안정성을 보였다. 이는 미 에너지부가 2026년까지 수전해를 통한 수소생산비용을 kg당 2달러로 낮추기 위해 제시한 목표와 같다.

아울러 해당 기술을 이리듐, 팔라듐, 로듐 등 다양한 귀금속 단일 원자 촉매에도 적용할 수 있다는 가능성도 확인했다.

한양대·KIST, 단일 원자 기반 촉매 기술 개발

한양대학교 ERICA 화학분자공학과 김병현 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 이영준·이성호 박사 공동연구팀은 탄소나노섬유(CNF) 내 티타늄산화물(TiO₂)을 형성하고 이중 형태의 로듐(Rh) 단일 원자를 배치해 반응성을 높인 촉매를 개발했다.

이는 알칼라인 수전해의 단점인 물의 해리를 통한 수소 이온 형성 속도와 수소 발생 반응 속도가 느리다는 것을 해결하기 위함이다.

연구팀은 CNF 지지체와 TiO₂의 상호작용을 활용해 로듐 단일 원자를 질소와 산소로 이중 고정함으로써 촉매 표면에서 수소 발생 반응을 촉진하고 물 분해 단계의 에너지 장벽을 낮췄다.

이를 통해 셀 면적당 전류 밀도를 1A/㎠까지 안정적으로 유지하면서 225시간 이상 고출력 운전을 지속할 수 있었다. 특히 산업화 단계를 고려해 2셀 알칼라인 음이온교환막 수전해 스택을 제작해 우수한 안정성과 높은 효율을 입증했다.

이는 질소와 산소의 조합이 수소 발생 반응과 물 분해를 촉진하고 티타늄산화물과 탄소나노섬유가 로듐 단일 원자의 전자 구조를 안정적을 유지해 장시간 고효율 반응을 가능하게 하기 때문이다.

연구팀은 이번에 개발한 촉매가 기존 고가의 귀금속 촉매를 대체하거나 보완할 수 있을 만큼 높은 가격경쟁력을 갖춘 대안이 될 것으로 전망했다.

특히 이번 연구를 통해 알칼라인 조건에서 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)의 느린 속도를 개선한 만큼 산업 규모의 대형 전해조에도 적용 가능하다는 점에서 차세대 친환경 수소 생산 기술에 큰 이정표가 될 전망이다.