광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 박찬호 융합기술원 에너지융합대학원 교수팀이 재생에너지 연계 수전해에 적용 가능한 고효율 이리듐 산화물 촉매를 만드는 액상 촉매 합성법을 개발했다고 25일 밝혔다.
고분자 전해질막 수전해 시스템은 귀금속인 이리듐 기반 촉매를 산소 발생 반응용 양극 촉매로 사용하고 있다. 수전해 기술은 물을 전기분해해 수소를 얻기 때문에 이산화탄소를 배출하지 않아 친환경 그린수소 생산이 가능하다. 하지만 촉매로 사용하는 이리듐은 자원량이 희박한 금속으로 값이 비싸다는 게 단점이다.
또 낮은 수전해 효율은 그린 수소 생산 활성화에 걸림돌이 되고 있다. 이를 향상시키기 위해 이리듐 합금 개발 및 이리듐 산화 상태 조절을 통해 활성과 내구성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
박 교수팀은 이리듐 산화상태를 조절해 수전해 양극에서 일어나는 산소 발생 반응에 대한 촉매 활성과 안정성을 크게 향상시켰다. 이리듐 산화물 촉매를 수전해 단위전지에 적용했을 때 촉매 사용량을 50% 이하로 사용했음에도 불구, 기존 상용 촉매에 비해 성능이 크게 향상된다는 사실을 규명했다. 상용 촉매 대비 1.1배 우수한 활성을 보였으며 안정성 평가 이후에도 5.3배 우수한 활성을 유지했다.
합성 촉매는 표면에 이리듐(3+)과 이리듐(4+)이 존재하며 중심으로 갈수록 이리듐(0)이 존재하는 산화수의 구배(기울기) 구조를 갖는다. 이 구조는 산소 발생 반응의 활성과 안정성을 모두 향상시켰고 합성된 촉매를 수전해 단위전지에 적용했을 때 이리듐 촉매 사용량을 절반 이하로 사용했음에도 초기 안정성 평가 이후 상용 촉매 대비 5.3배 우수한 활성을 보이는 것으로 나타났다.
박찬호 교수는 “새로운 액상 환원법을 이용, 이리듐 산화물 촉매 내의 이리듐 산화 상태의 분포 구배를 만들어서 활성과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있었다”면서 “단위전지에서 입증되었듯이 실제 시스템에 적용해 향후 수전해 효율 증가뿐 아니라 양극에서의 이리듐 사용량을 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
박찬호 교수가 주도하고 이승우 석박사 통합과정, 백채경, 김도형 학생이 참여한 이번 연구는 한국에너지기술평가원, 산업통상자원부와 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지 분야의 국제 저명 학술지인 '저널 오브 파워 소스' 최신호 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
