🔥 저비용 녹색수소 촉매 혁신! 백금 없이도 고성능 구현

원본 기사:  South Korean team develops low-cost green hydrogen catalyst  |  UPI

📌 핵심 요약

한국 연구진이 녹색 수소 생산 비용을 크게 낮추면서도 고가의 귀금속 촉매와 비슷한 성능과 내구성을 보여주는 촉매를 개발했다.

South Korean researchers have developed a catalyst that could substantially reduce the cost of producing green hydrogen while delivering performance and durability comparable to catalysts made with expensive precious metals.

중앙대 하동형 교수 팀이 백금·이리듐 등 비싼 귀금속을 전혀 사용하지 않은 다중금속 인화물 나노입자를 만들었다.

A research team led by Professor Don-Hyung Ha of Chung-Ang University developed multimetallic phosphide nanoparticles that do not require platinum, iridium or other costly precious metals, the university said Monday.

연구 배경과 필요성

전 세계가 탄소중립을 목표로 재생에너지 확대에 나서면서 녹색 수소의 상용화가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 녹색 수소는 전기분해를 통해 물을 분해해 얻는 수소이며, 전력이 재생에너지에서 공급될 경우 탄소 배출이 없다는 장점이 있다. 그러나 현재 대부분의 고성능 전해조는 백금이나 이리듐 같은 귀금속 촉매에 의존하고 있어 원가가 급격히 상승하고 공급이 제한된다. 이러한 비용 구조는 대규모 상업화의 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서 저비용이면서도 내구성이 뛰어난 비귀금속 촉매 개발이 시급한 상황이다. 이번 연구는 이러한 산업적 요구에 직접 응답하는 형태로 진행되었다. 연구팀은 기존 촉매의 한계점을 정확히 진단하고, 대체 물질의 가능성을 탐색하는 데 초점을 맞추었다. 특히 양이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 전해 기술이 비용 절감에 유리한 플랫폼으로 주목받고 있었으며, 이에 맞는 촉매 설계가 필요했다. 연구는 한국 과학기술정보통신부의 H2GATHER 및 H2 NEXT ROUND 프로그램 등 정부 지원을 받아 진행되었으며, 학술적·산업적 파급효과를 동시에 기대하고 있다.

촉매 설계와 실험 방법

연구팀은 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 인(P) 네 가지 원소를 조합한 다중금속 인화물 나노입자를 설계했다. 이들 원소는 각각 전자 전달 효율과 표면 활성도에 기여하며, 특히 코발트 함량을 미세 조정함으로써 전해 중에 촉매 표면의 재구성을 제어할 수 있었다. 실험 과정에서는 실시간 분광 분석을 도입해 전해 작동 중 촉매의 산화 상태와 구조 변화를 모니터링했다. 이를 통해 최적 코발트 비율이 안정적인 고활성 구조를 형성한다는 사실을 확인했다. 촉매는 수소 발생 전극(HER)과 산소 발생 전극(OER) 모두에 적용했으며, 단일 전지 테스트에서는 2 V 전압에서 수소 전극에 적용했을 때 전류밀도 5.73 A·cm⁻², 산소 전극에만 적용했을 때 11.43 A·cm⁻²를 달성했다. 또한 1 A·cm⁻² 전류밀도에서 500시간 연속 운전했을 때 성능 저하가 거의 없었다는 장기 내구성 데이터도 확보했다. 이러한 실험 결과는 비귀금속 촉매가 기존 백금계 촉매와 경쟁할 수 있는 수준임을 입증한다.

성능 결과와 의미

전류밀도가 높을수록 동일 전극 면적당 생산 가능한 수소량이 늘어나며, 이는 전해 시스템의 경제성에 직결된다. 이번 연구에서 달성한 5.73 A·cm⁻²와 11.43 A·cm⁻²는 현재 상용화 단계에 있는 백금 기반 전해조와 비교해 큰 격차가 없으며, 특히 산소 전극에서의 높은 전류밀도는 전해 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다. 또한 500시간 연속 운전 시험에서 성능 저하가 미미했던 점은 촉매의 장기 내구성이 뛰어나다는 증거이며, 이는 실제 플랜트 운영 시 유지보수 비용 절감으로 이어질 수 있다. 연구팀은 촉매 조성 제어, 실시간 표면 분석, 전체 전해 셀 성능 검증이라는 세 가지 축을 통합함으로써 실용화 가능성을 높였다. 이러한 통합 접근법은 학계뿐 아니라 산업계에서도 새로운 촉매 개발 패러다임으로 받아들여질 가능성이 크다.

향후 전망 및 산업적 파급효과

비귀금속 기반 다중금속 인화물 촉매가 상업적 수준에 근접했다는 사실은 녹색 수소 공급망 확대에 중요한 전환점이 될 수 있다. 향후 연구는 촉매 제조 공정의 대량화, 비용 최적화, 그리고 실제 플랜트 적용을 위한 모듈화 설계로 이어질 전망이다. 또한 정부 지원 프로그램과 연계해 파일럿 플랜트를 구축한다면, 국내 수소 경제 활성화에 크게 기여할 수 있다. 국제 시장에서도 귀금속 의존도를 낮춘 고성능 전해 기술은 경쟁력을 높여 한국이 수소 기술 선도국으로 자리매김하는 데 도움이 될 것이다. 궁극적으로 이 기술은 재생에너지와 연계된 대규모 녹색 수소 생산을 가능하게 하여 탄소중립 목표 달성에 핵심 역할을 수행할 것으로 기대된다.