화석연료 시대를 넘어, 수소경제의 실현이 한 발자국 다가왔다. 가격 경제성을 지닌 수소 생산을 위한 수전해 기술에 필수적인 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매 개발이 이루어졌기 때문이다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 니켈 질화물을 도입한 바나듐–니켈–철기반 촉매를 개발했다. 이 촉매는 알칼라인 조건에서 실질적으로 상업화에 필요한 전류밀도의 두 배인 전류밀도 1 A/cm2를 낮은 과전압( 270 mV)에서 도달했다. 안정성 실험에서는 1,000시간 동안 손상 없이 안정적으로 구동되는 것을 확인했다. 또한 음이온 교환막 수전해 시스템의 초순수 환경에서는 전체 셀 전압 1.85 V에서 전류밀도 685 mA/cm2를 나타내어 뛰어난 성능을 보였다. 이는 귀금속 촉매 기반 음이온 교환막 수전해 성능(전체 셀전압 1.85 V 전류밀도 355 mA/cm2) 대비 약 두 배가량 높은 수치를 보인다.
그림1. 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철 기반 촉매합성 과정
수전해 기술은 미래의 에너지 운반체인 그린수소를 생산하는 대표적인 기술이다. 여기서 핵심은 생산된 그린수소의 가격이다. 기존의 수전해 기술 대비 수소 경제성을 높이기 위해 개발된 시스템이 바로 음이온 교환막 수전해 시스템이다. 하지만, 아직 연구단계에 머물러있으며 특히, BOP(Balance of Plant)의 내구성을 높이기 위해서는 초순수를 이용한 수전해 기술이 발전돼야 한다. 초순수전해의 경우 산성 혹은 알칼리인 수전해보다 추가적인 에너지가 필요해 적합한 촉매를 개발하는 것은 더욱 도전적이다.
그림2. 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철 기반 촉매 및 대조군 촉매에 대한 전기화학적 산소발생반응 half-cell 실험(산소 가스 포화된 1 M KOH, 25 ℃,)
연구팀은 전기도금과 질화공정을 통해 바나듐-니켈-철 옥시수산화물 표면에 니켈 질화물을 성장시켜 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매를 제조했다. 니켈-철 옥시수산화물은 대표적인 산소발생촉매임에도 불구하고 전기전도성이 낮다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 바나듐을 도핑시키고 니켈 질화물을 표면에 성장시켜 전기전도도를 향상시킴과 동시에 활성점을 안정화시켜 성능과 장기 안정성을 확보했다. 향상된 전기전도도는 촉매와 전해질 사이의 계면에서 전자전달속도를 가속화시켜 뛰어난 반응속도를 보여줬다. 개발된 촉매는 알칼라인 환경뿐만 아니라 초순수를 흘려주는 음이온 교환막 수전해 시스템에서 우수한 성능을 보였다.
그림3. 음이온 교환막 수전해 시스템
권영국 교수는 “촉매의 기본 요소인 성능과 안정성을 동시에 확보하는 것은 수전해 기술의 상업화에 필수적이다”며 “촉매 개발에 있어 기존 촉매의 단점을 잘 이해하고 이를 해결하기 위한 노력으로 수소경제 실현에 이바지하겠다”고 말했다.
제 1저자인 Pandiarajan Thangavel 박사는 “기존의 니켈-철기반의 촉매는 전기전도성이 낮고 수전해 환경에서 촉매의 안정성 확보가 시급했다”며 “이종원소의 도핑과 추가적인 질화공정을 통해 단점을 보완하여, 비귀금속기반의 고성능, 고내구성 산소발생촉매를 개발했다”고 말했다.
그림4. 전기화학적 음이온 교환막 수전해 시스템 성능평가 (70℃ 초순수)
이번 연구는 에너지·환경과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 2022년 12월 23일자로 온라인 게재됐고 표지 논문으로 선정돼 2월 10일에 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단 중견연구, 산업통상자원부 에너지기술개발사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 수행되었다.
