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생기원, 고성능 수전해 촉매 개발로 그린뉴딜 선도한다.

- 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴, 수소 생산 효율 10% 더 높여

-「Advanced Functional Materials」9월 표지논문 게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 건국대학교와 함께 기존 백금 소재보다 60%가량 저렴하면서 수소 생산 효율을 향상시킨 새로운 수전해 촉매 소재 개발에 성공했다.

ㅇ 이번 연구성과는 2020년 9월 소재 분야 해외 유명 저널인 ‘Advanced Functional Materials’(Impact Factor:16.836)의 표지 논문으로 선정돼 온라인상에 게재됐다.

□ 수소는 지역적 편중 없이 세계적으로 풍부하고 보편적인 친환경 에너지 자원이지만, 물이나 유기화합물 형태로만 존재해 별도의 분리 기술 연구가 선행되어야 한다.

ㅇ 현재 대부분의 수소는 석탄이나 석유, 천연가스와 같은 화석연료로부터 분리해내는 방식을 통해 주로 생산되고 있는데, 제조단가는 저렴한 반면 생산과정에서 온실가스를 배출하고 환경오염을 유발한다는 단점이 있다.

ㅇ 그에 반해 수전해 기술은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술로, 제조공정이 친환경적이어서 최근 연구개발이 매우 활발한 분야이다.

ㅇ 하지만 현재 기술력으로는 수전해 수소 생산에 백금과 같은 고가의 귀금속 기반 촉매를 필요로 해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

□ 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사와 건국대학교 미래에너지공학과 한혁수 교수가 이끄는 공동연구팀은 수전해 기술 상용화의 핵심이 고효율 저단가 촉매 개발에 있다고 보고 함께 연구를 진행했다.

ㅇ 수전해 촉매 효율 향상을 위해서는 전기분해가 잘 될 수 있도록 전기전도도가 우수해야 하고 촉매 표면의 흡착 기능도 뛰어나야 한다.

ㅇ 연구팀은 먼저 촉매 표면에 화학적 표면 식각(蝕刻) 공정*을 적용해 전기전도성이 우수한 니켈보라이드(Ni2B)와 반응물 흡착에 유리한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)X)를 동시에 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다.

* 화학약품의 부식작용을 응용한 표면가공 방법

ㅇ 그리고 이를 기반으로 효율적인 촉매 반응을 일으킬 수 있도록 전하 전달과 표면 흡착을 한 번에 최적화시킬 수 있는 새로운 촉매 소재 설계 패러다임을 제시했다.

ㅇ 이 방식으로 제조된 촉매를 사용할 경우, 기존 귀금속 촉매에 상응하는 내구성에 수소 생산효율도 10%가량 높일 수 있으며 촉매 가격은 기존 대비 약 40% 수준으로 절감될 것으로 예상된다.

□ 생기원 김강민 박사는 “수소 촉매뿐만 아니라 배터리·연료전지·슈퍼캐패시터(Super-Capacitor)* 등 에너지 전환 및 저장 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라고 밝히며, “수소산업 생태계 조성 및 그린뉴딜 선도에 기여할 것으로 기대된다.”고 말했다.

* 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 축전장치

ㅇ 한편 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인 기초연구 지원 사업으로 2019년 11월부터 2020년 10월까지 1년 동안 진행됐다.