탄소 결합으로 유도된 Ru-C bond 및 촉매층 구조설계를 통한 세계최고 수준 음이온교환막 수전해 개발(사진=KAIST)
[뉴스토마토 임삼진 객원기자] 탄소중립 시대의 핵심 에너지원으로 꼽히는 '그린수소(물 전기분해로 얻는 청정 수소)' 생산의 최대 걸림돌이었던 효율 저하 문제를 국내 연구진이 획기적으로 해결했습니다. 반응 과정에서 생기는 기포를 마치 고속도로를 뚫듯 빠르게 배출 체증을 해결하는 기술로, 미국 에너지부(DOE)가 제시한 미래 목표치마저 가볍게 뛰어넘는 세계 최고 수준의 성능을 기록했습니다.
KAIST(한국과학기술원)는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사, 건국대 이장용 교수 연구팀과 함께 수전해(물 분해) 촉매층 내부에서 물과 기체가 지나가는 길을 새롭게 설계해 수소 생산 효율과 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 밝혔습니다.
굴곡진 골목길을 고속도로로 만든 역발상
기존의 수전해 장치는 물을 분해해 수소를 만드는 과정에서 미세한 기포들이 발생합니다. 이 기포들이 촉매층 내부에 머물며 물과 전기가 흐르는 통로를 막아 전체적인 시스템 효율을 떨어뜨리는 것이 고질적인 난제였습니다. 지금까지 학계는 촉매 자체의 활성을 높이는 데만 집중해 왔으나, 국내 연구진은 촉매가 배치되는 '공간의 구조'를 바꾸는 역발상을 적용했습니다.
연구팀은 종이처럼 얇고 미세한 구멍이 무수히 많은 '2차원 메조다공성 탄소 나노시트'를 활용했습니다. 이를 통해 물질들이 막힘없이 이동할 수 있도록 꼬이지 않고 직선에 가까운 '저굴곡(low-tortuosity) 구조'를 구현했습니다. 기포가 갇히던 좁고 복잡한 골목길을 시원하게 뚫린 고속도로처럼 바꾼 것입니다.
여기에 탄소 표면에 초미세 루테늄(Ru) 나노 입자를 안정적으로 고정하는 계면 제어 기술을 더해 반응 속도를 끌어올리는 동시에 촉매가 손상되는 것을 방지했습니다.
미국 에너지부 목표치 크게 상회
결과는 경제성·내구성 다 잡은 놀라운 수준의 진전을 보여주었습니다. 고전류가 흐르는 극한의 환경에서도 기포가 쌓이지 않고 즉시 배출되면서, 80℃ 환경에서 세계 최고 수준인 17.1 A cm?²의 전류 밀도를 기록했습니다. 이는 미국 에너지부가 제시한 2026년 목표치를 크게 뛰어넘는 수치로, 단위 면적당 수소를 훨씬 더 빠르고 많이 생산할 수 있음을 의미합니다.
산업적 상용화 가능성도 입증했습니다. 수전해 장치 보급의 걸림돌이었던 값비싼 귀금속(루테늄)의 사용량을 크게 줄였음에도 불구하고, 고부하 환경에서 1000시간 이상 안정적으로 작동하는 획기적인 내구성을 보여줬습니다. 비용은 낮추고 수명은 늘려 대규모 상용화의 문턱을 낮춘 것입니다.
이 기술이 본격 도입되면 대규모 그린수소 생산뿐만 아니라 친환경 발전 시스템, 수소차·친환경 모빌리티, 탄소중립 산업 공정 등 친환경 에너지 생태계 전반에 지각변동을 일으킬 수 있을 것이라는 전망입니다.
"친환경 수소 상용화 앞당길 것"
이진우 KAIST 교수는 "이번 연구는 촉매 자체의 성능에만 매몰되지 않고 에너지가 흐르는 '길'까지 함께 설계해 수전해 효율을 극대화한 기술"이라며 "적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해져 향후 친환경 수소 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다"고 말했습니다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 변재호·반민경 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 'AEM수전해기술육성 사업', '나노미래소재원천기술개발 사업', 교육부 박사과정생 연구장려금, 한국화학연구원, 롯데케미칼 탄소중립센터의 지원을 받아 수행됐습니다. 연구 결과는 에너지 분야의 권위 있는 국제 학술지 줄(Joule)에 지난 22일 온라인판에 게재됐으며, 오는 9월 16일자 정식 호에 수록될 예정입니다.
2D 메조다공성 촉매층 기반 그린수소 생산 기술 AI생성 이미지(사진=KAIST)
임삼진 객원기자 isj2020@etomato.com
이 기사는 뉴스토마토 보도준칙 및 윤리강령에 따라 강영관 산업2부장이 최종 확인·수정했습니다.
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