권영국 교수, 값싼 비귀금속 활용
UNIST가 수전해 수소생산 비용을 낮출 수 있는 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매를 개발했다.
UNIST(총장 이용훈)는 권영국 에너지화학공학과 교수팀이 수전해 수소생산에 사용할 수 있는 니켈 질화물 도입 바나듐-니켈-철기반 촉매 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.
이 촉매는 알칼라인 조건에서 상업화에 필요한 전류밀도 보다 두배나 높은 1A/㎠전류밀도를 낮은 과전압(270mV)에서 도달했다.
안정성 실험에서 1000시간 동안 손상 없이 안정적으로 구동했다. 음이온 교환막 수전해시스템의 초순수 환경에서 전체 셀 전압 1.85V에 전류밀도 685mA/㎠의 뛰어난 성능을 나타냈다. 귀금속 촉매 기반 음이온 교환막 수전해 성능(전체 셀전압 1.85V 전류밀도 355mA/㎠) 대비 약 두배 높은 수치다.
수전해는 그린수소를 만드는 대표적 기술이다. 하지만 경제성은 높지 않다. 수전해 기술 경제성을 높이기 위해 음이온 교환막 수전해시스템이 개발됐지만 아직 연구단계 수준이다.
특히 BOP(Balance of Plant) 내구성을 높여야 하기 때문에 초순수 수전해 기술과 적합한 촉매가 필요하다.
권 교수팀은 전기도금과 질화공정을 이용해 바나듐-니켈-철 옥시수산화물 표면에 니켈 질화물을 성장시키는 방법으로 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매를 제조했다.
니켈-철 옥시수산화물은 대표적인 산소발생촉매지만 전기전도성이 낮다. 이를 보완하기 위해 바나듐을 도핑하고 니켈 질화물을 표면에 성장시켜 전기전도도를 높였고 동시에 활성점을 안정화시켜 성능과 장기 안정성을 동시에 확보했다.
향상된 전기전도도는 촉매와 전해질 사이 계면에서 전자전달 속도를 가속화해 뛰어난 반응속도를 나타냈다. 개발 촉매는 알칼라인 환경뿐만 아니라 초순수를 흘려주는 음이온 교환막 수전해시스템에서도 우수한 성능을 보였다.
권영국 교수는 “수전해 기술 상업화는 촉매의 기본 요소인 성능과 안정성을 동시에 확보하는 것이 핵심”이라며 “이종원소 도핑과 추가 질화공정을 접목해 비귀금속 기반 고성능, 고내구성 산소발생촉매를 개발했다”고 설명했다.
이번 연구성과는 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 2월 10일자 표지 논문으로 실렸다.
부산=임동식기자 dslim@etnews.com
