▲ 개발된 RuSiW 촉매의 수소발생반응(HER) 활성 비교를 위한 이론 모델 (좌)와 Si, W 도입에 따른 RuO2의 전자구조 (d-band 중심) 변화(우) / 루테늄/실리콘/텅스텐 삼원소 기반 산화물의 촉매활성 개선을 설명하기 위한 이론 모델과 흡착에너지의 영향을     ©특허뉴스

그린 수소를 더 값싸고 친환경적으로 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 값비싼 귀금속 촉매를 대체한 기술로, 탄소 중립 사회에 한 발짝 다가설 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST 에너지화학공학과 류정기 교수와 KAIST 신소재공학과 서동화 교수 공동연구팀은 높은 효율과 안정성을 가진 고순도의 그린수소 생산용 이기능성(Bifunctional) 수전해 촉매를 개발했다.

개발된 촉매는 부식성 강한 산성의 환경에서도 장시간 사용이 가능하다. 루테늄과 실리콘, 텅스텐(RuSiW)을 기반으로 만들어 기존의 백금(Pt) 혹은 이리듐(Ir) 촉매에 비해 저렴하다. 온실가스 배출량도 1/4 이하로 낮아 친환경적이다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 수소를 생산하는 과정에서 탄소 배출 없이 친환경적인 수소를 생산할 수 있어 탄소 중립 사회를 위한 차세대 기술로 꼽힌다.

연구팀은 산성에서 안정적인 백금이나 이리듐과 같은 귀금속 전해질을 대체할 물질을 연구했다. 루테늄은 생산 가격이 상대적으로 저렴하고, 백금이나 이리듐보다 각각 1/7, 1/4 낮은 온실가스를 배출해 친환경적인 금속으로 각광 받고 있다. 하지만 백금보다 촉매 반응의 촉진 능력이 낮고, 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

연구팀은 루테늄, 실리콘, 텅스텐 3원소를 기반의 산화물로 촉매를 개발했다. 낮은 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER)의 안정성이 떨어지는 루테늄 촉매의 기능을 동시에 개선해 이기능성(Bifunctional) 촉매로서 가능성을 입증했다.

개발된 촉매는 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 도핑된 구조다. 촉매 표면에 양성자의 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매의 반응 촉진 능력을 높였다. 상용화된 백금 촉매보다 수소발생반응에 대한 활성도가 뛰어나다. 5~10nm 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성 또한 높였다.

연구팀은 촉매 안정성 실험을 진행했다. 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10mA의 전류를 흘렸다. 개발된 촉매는 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.

류정기 에너지화학공학과 교수는 “개발된 3원소 촉매는 기존의 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “부식성이 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성 가능해, 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막(PEM) 전해조에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 전다솜 박사, KAIST 신소재공학과 김동연 박사, 그리고 UNIST 에너지화학공학과 김현구 박사과정생이 제 1저자로 참여했다. 

연구 성과는 세계적인 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일 출판됐다.

논문명은 Electrochemical Evolution of Ru-Based Polyoxometalates into Si,W-Codoped RuOx for Acidic Overall Water Splitting 이다.