백금 함량 5천배 줄인 수전해 전극 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 비싼 백금 촉매의 함량을 5천분의 1로 줄여 수(水)전해용 음극재의 가격을 크게 낮출 수 있는 방법이 소개됐다.

한국연구재단은 전기준 인하대 환경공학과 교수 연구팀이 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 과정에 필수적인 고가의 백금촉매에 필적할 새로운 저가형 촉매를 제안했다고 밝혔다.

화석연료를 대체할 차세대 에너지원의 하나로 수소에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 고순도 수소를 얻는 '그린수소'에 대한 연구가 활발하다.

수전해 방식의 효율은 물을 수소와 산소로 분리할 때 쓰이는 전력 소모(과전압)를 줄이는 데 달려 있다. 이를 위한 촉매로 가장 대표적인 것이 백금(Pt)같은 귀금속이다. 촉매 연구의 대부분은 비싼 백금을 대체하는데 집중된다. 고가의 백금 함량을 경제성을 지닐 정도로 충분히 낮출 수 있는지가 그린수소 경제성 확보의 관건이다.

최근 귀금속 대체 촉매개발 연구동향으로는 전이금속 디칼코겐화합물, 그래핀 같은 탄소계 촉매, 전이금속간 이종접합 화합물 등이 각광받고 있다. 또한 촉매의 형상이나 성분조성 등을 제어해 최적화된 촉매를 합성하는 방안들이 제시되고 있다.

연구팀은 백금에 아닐린(C6H5NH2)을 첨가한 백금-아닐린 복합체를 이용해 백금의 효율과 안정성은 유지하면서, 백금 함량을 최소화하는 방법을 시도했다. 이후 황(S)을 도입해 전이금속 디칼코겐화합물 구조의 이황화 백금 (PtS2) 촉매를 합성하는 기술을 개발했다. 이렇게 해서 백금 함량을 기존 음극재(백금 10%) 대비 5천분의 1 수준으로 낮췄다.

이황화백금 촉매는 2016년에 처음 연구결과가 보고됐으나 백금 촉매의 효율을 넘어서기에는 한계가 있었다. 이번 연구팀은 촉매를 기판에 붙이는 별도 공정 대신, 자체개발한 티타늄카바이드(TiC) 기판 위에 이황화백금을 화학기상증착법으로 균일하게 성장시키는 방법을 고안했다. 수전해 반응 중 기판과 촉매를 연결하는 바인더의 접착효과가 떨어지면서 안정성이 저하되는 것을 막기 위해 바인더 자체가 필요 없도록 만든 것이다. 실제 이렇게 제작한 티타늄카바이드 기판은 기존 이산화티타늄 기판에 비해 전기저항이 약 12배 감소했다.

실제 티타늄카바이드 기판에 이황화백금을 적용한 음극전극을 적용한 결과 기존 백금촉매 적용 음극과 거의 동일한 수준의 수소생산 효율을 보였다. 또한 강산 용액의 극한 환경에서도 60시간 이상 수준을 유지할 정도로 우수한 안정성을 보였다.

전기준 교수는 "수전해용 귀금속계 촉매를 대체할 수 있는 촉매를 개발하기 위해서는 저렴한 합성공정과 촉매의 높은 내구성 및 높은 활성도, 그리고 기판(박막)개발 등 하나의 전극이 제안되어야 한다"면서 "이번 연구에서는 상용 백금 촉매의 함량을 크게 낮추면서도 유사한 촉매활성도와 고안정성을 보이는 이황화백금/티타늄카바이드 전극을 개발한 것"이라고 설명했다.

또한 "이미 전도성이 우수한 티타늄카바이드 기판에 합성됐기 때문에 실제 수전해 스택에서도 우수한 성능을 보여줄 것"으로 기대하고 실제 수소생산용 스택에 적용,연계를 추진할 예정이라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 나노소재원천기술 개발사업, 기초연구사업 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐으며 연구내용은 에너지 및 환경 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B:엔바이런먼탈(Applied Catalysis B: Environmental)’ 온라인에 4월 15일 게재됐다.

◇논문명 : Atomic interactions of two-dimensional PtS2 quantum dots/TiC heterostructures for hydrogen evolution reaction

◇저자 : 전기준 교수(인하대), 박철민 교수(금오공대, 이상 교신저자), 정상민 박사과정 (제1저자/인하대), 히옌 듀이 메이 박사(인하대), 트리 코아 응우옌 박사(인하대), 윤종상 교수(가톨릭대), 남기훈 박사과정(금오공대, 이상 공동저자)

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