[박광준 기자] 기후변화 대응을 위한 청정에너지 기반 구축과 정책 전환에 대한 중요성이 높아지면서 온실가스를 전혀 배출하지 않고 수소를 생산하는 ‘그린수소 생산 기술’이 수소경제 사회로 전환하기 위한 핵심 기술로 큰 주목을 받고 있다.

그린수소 생산은 풍력발전이나 태양광 발전을 통해 얻어지는 전기를 이용해 물을 전기분해 하는 방법이 가장 효과적이다. 그러나 현재 수전해에 가장 많이 쓰이는 백금(Pt)이나 루테늄/이리듐(Ru/Ir)기반 촉매는 매우 고가이면서 매장량도 한계가 있어 저가이면서 고효율의 비귀금속계 촉매 개발이 그린수소 생산 및 산업화를 위한 핵심 소재 기술로 부각되고 있다.

이러한 그린수소를 저비용으로 대량 생산할 수 있는 획기적인 비귀금속 기반 초고효율 수전해 촉매를 전북대학교 이중희·김남훈·트란듀이탄 교수팀(대학원 나노융합공학과)이 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

이번 연구 결과는 에너지소재 분야 세계 최고 학술지인 '어드벤스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials'(IF: 29.698)의 최신호에 게재됐고, 알칼라인 수전해용 촉매 연구 분야에서 우수성과 중요성을 인정받아 표지논문에 선정됐다.

이 교수팀은 고가의 촉매 문제점을 해결하기 위해 금속프탈로시아닌 분자, 이황화몰리브덴과 나노판상의 맥신(MXene)의 우수한 전기화학적 장점을 활용했고, 간단한 단일공정인 열수공정을 통해 3차원 계층형으로 구성된, 즉 이황화몰리브덴이 코팅된 맥신 이종구조체 표면에 철프탈로시아닌과 산화바나듐프탈로시아닌이 이중으로 결합된 나노복합체 촉매를 성공적으로 합성했다고 밝혔다.

다중 이종구조를 가지는 맥신/이황화몰리브덴-철프탈로시아닌-산화바나듐프탈로시아닌 촉매 합성을 위해 극소량인 원자비율로 0.4% 철프탈로시아닌과 0.28% 산화바나듐프탈로시아닌을 사용했고, 저가의 전이금속을 전구체로 활용했다. 간단한 단일 열수공정을 통해 합성된 촉매는 현재 산업체에서 널리 사용되고 있는 상용 귀금속 촉매인 백금/탄소(Pt/C)나 산화루테늄(RuO2)과 비교하면 약 10배정도 낮은 가격으로 촉매 생산이 가능해져 수전해 장치제조에 큰 비용절감 효과를 가져 올 것으로 기대된다.

개발된 촉매는 태양광 알칼라인 수전해 장치에 적용한 실험을 통해 75℃, 7몰의 수산화칼륨(KOH) 용액에서 작동하는 수전해 장치에서 인가 전류가 10 mA/cm2에서 1.45 V라는 아주 낮은 전지전압으로 매우 고효율 성능임을 확인했다.

또한 약 20%의 매우 높은 태양광-수소 변환효율(Solar-to-hydrogen conversion efficiency)을 보여 지금까지 보고된 결과 중 세계 최고 수준의 우수한 성능을 보였다. 이와 함께 개발 촉매는 매우 우수한 안정성을 가져 내구성이 매우 우수한 수전해 장치 제조가 가능해져 차세대 초고효율 수전해 촉매로 사용될 수 있어 큰 관심이 집중되고 있다.

개발된 촉매기술은 해당 이 교수팀의 핵심 연구원들이 창업한 벤처 기업인 ‘(주)아헤스(AHES·Advanced Hydrogen Energy Solution)’에서 실제 수전해 장치에 적용키 위한 실용화 연구를 지속적으로 수행해 저가의 그린수소 대량 생산을 위한 핵심 원천기술을 확보할 계획이다.

이중희 교수는 “이번 성과는 차세대 알칼라인 수전해 장치에 사용될 수 있는 저가의 고성능 수전해 전극제조에 혁신적인 방안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”면서, “전 세계가 주목하는 그린수소 산업 관련 기술을 우리나라가 선도하고, 원천기술 확보를 통해 미래 수소 경제 사회를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐고, 나노융합공학과의 트란판칸린 박사과정의 연구협업을 통해 이뤄졌다.