탄소 배출 없는 그린 수소 생산, 차세대 신촉매 소재로 새로운 길 열다!
- 성균관대-고려대-KIST-동국대 공동연구
- 재료과학분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 후면 표지로 선정

□ 성균관대-고려대-KIST-동국대 공동연구진은 그린 수소 생산 비용을 대폭 절감하는 기술적 해결책을 찾아냈다. 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀, 고려대학교 이광렬 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 동국대 진하늘 교수 연구팀은 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현한 음이온 교환막 수전해 장치용 양극재 소재를 개발했다. 
   * 연구한 이중벽 나노튜브는 나노 사이즈의 직경을 갖는 실린더 형태로 속이 빈 두 실린더가 겹쳐져 있는 구조

□ 연구팀은 ‘음/양이온교환’이라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어하여 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공하였다. 또한, 이를 양극재 소재로 활용하여 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화하여 상용 백금 및 루테늄 촉매 대비 그린 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있었다.

□ 국내 연구팀이 ‘그린 수소’의 제조 과정에서 발생하는 생산 비용을 현저히 낮추는 기술적인 성취를 이뤘다. 그린 수소는 이산화탄소 배출이 없는 친환경 방식으로 생산되는 수소로, 이는 탄소 중립 기술의 핵심기술이다. 현재 수소 생산의 대다수는 ‘그레이 수소’로 분류되며, 천연가스와 수증기를 이용하여 생산되는 과정에서 이산화탄소가 발생한다. 그러나 전기에너지를 이용해 물을 분해하여 생산하는 ‘그린 수소’는 이러한 이산화탄소 배출 없이 수소를 생성할 수 있는 방식으로 주목받고 있다.

□ 음이온 교환막 수전해(AEM) 기술은 알칼라인 수전해(AEC)와 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 우수한 특성을 결합한 혁신적인 차세대 수전해 기술이다. 그러나 그린 수소 생산을 위한 음이온 교환막 수전해 방식은 고성능을 확보하기 위해 귀금속인 백금을 촉매로 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 있는 촉매 물질의 개발이 시급하다.

□ 수전해 촉매의 성능평가 결과에 따르면, 개발한 PtRuP2 기반의 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 9.40A/cm-2 (제곱센티미터당 암페어)의 전류밀도를 나타냈다. 이는 상용 촉매인 백금 촉매의 전류밀도 5.44A/cm-2보다 1.7배 이상 우수하며, 약 270시간 이상의 장기 내구성을 보였다. 

□ 성균관대 이상욱 교수와 조성찬 석박통합과정생(제1저자) 및 설재훈 박사과정생은 합성된 PtRuP2의 삼원계 물질에 대해서 열역학적으로 가질 수 있는 결정구조를 탐색함으로서 원자 단위 시뮬레이션을 수행했다. 특히 PtRuP2내 Ru 및 Pt이 각각 물 분해와 수소 생산에 특화되어 있다는 것을 발견했으며, 나노구조 안에서 각 원자 간의 시너지 효과로 인해 뛰어난 수전해 성능이 나옴을 밀도 범 함수 이론 기반 전산모사를 통해 밝혀냈다. 이러한 시너지 효과는 Pt와 Ru가 가지는 전자구조의 차이로 인함과 물 분해를 위한 활성화 에너지와 수소 발생에 대한 상관관계를 밝힘으로서 촉매 활성 발현 원리를 규명하고 신규 소재 설계의 가이드라인을 제시했다.

□ 이번 연구성과는 지난 2월 2일 재료과학분야 세계적 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF 27.8, JCR 상위 분야 3%)에 게재되었으며, 후면 표지 논문(back cover)으로 선정됐다. 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업으로 수행되었다.

※ 저자정보: 홍용주 박사 (제1저자, 고려대학교, 현KIST 박사후 연구원), 조성찬 (제1저자, 성균관대학교), 김수빈 (제1저자, 고려대학교), 진하늘 교수 (제1저자, 동국대학교), 설재훈 (성균관대학교), 이태경 (KIST), 류종경 (포항공대), 그레이시 박사 (고려대학교), 김태경(KBSI), 백현석 박사 (KBSI), 최창혁 박사 (KAIST), 조진형 (고려대학교), 정상연 (고려대학교), 이은수 (고려대학교), 정유성 교수 (서울대), 안도천 박사 (포항가속기연구소), 김용태 교수 (포항공대), 교신저자로 유성종 박사, 책임연구원 (KIST), 이상욱 교수 (성균관대학교), 이광렬 교수 (고려대학교)가 참여했다. (총 20 명)
※ 논문명: Double-walled Tubular Heusler-type Platinum-ruthenium Phosphide as All-pH Hydrogen Evolution Reaction Catalyst Outperforming Platinum and Ruthenium
※ 게재지: Advanced Energy Materials
(2024년 2월 2일 online published - early view),
(Adv. Energy. Mater. 2024, 2304269, https://doi.org/10.1002/aenm.202304269)

2월 19일 월요일자 보도자료 - 첨부파일 참조