UNIST 에너지화학공학과 류정기 교수와 KAIST 신소재공학과 서동화 교수 공동연구팀이 높은 효율과 안정성을 가진 고순도의 그린수소 생산용 이기능성(Bifunctional) 수전해 촉매를 개발했다.
이번에 개발된 촉매(RuSiW)는 부식성이 강한 산성의 환경에서 장시간 사용이 가능하다. 루테늄(Ru)과 실리콘(Si), 텅스텐(W)을 기반으로 개발된 촉매라 기존 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 촉매에 비해 생산비가 상대적으로 저렴하다. 온실가스 배출량도 1/4 이하로 낮출 수 있어 친환경적이다.
특히 수전해에서 음극‧양극에 대응하는 ‘이기능성’을 갖춰 수소발생반응(HER), 산소발생반응(OER)에 모두 활용할 수 있다.
루테늄은 백금보다 촉매 반응의 촉진 능력이 낮고, 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 이를 개선하기 위해 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘을 도핑했다. 촉매 표면에 양성자의 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매의 반응 촉진 능력을 높였다.
상용화된 백금 촉매보다 수소발생반응에 대한 활성도가 뛰어나며, 5~10nm(나노미터) 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성도 높은 편이다. 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10mA의 전류를 흘리는 실험에서 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.
류정기 에너지화학공학과 교수는 “이번에 개발된 3원소 촉매는 기존의 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다”라며 “부식성이 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성할 수 있어 PEM(양성자교환막) 전해조에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 전했다.
이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 전다솜 박사, KAIST 신소재공학과 김동연 박사, 그리고 UNIST 에너지화학공학과 김현구 박사과정생이 제1저자로 참여했다.
연구 성과는 세계적인 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일 출판됐다.