Research

[POSTECH·서강대, 수전해 촉매 성능 향상 위한 알루미늄 활용법 개발]

 ‘부식되기 쉬운’ 물질로 여겨졌던 알루미늄(Al)이 이제 청정에너지 수소 생산의 핵심 기술로 자리 잡을 날이 다가왔다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 이 불안정한 금속으로 수소 생산 촉매 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 

 이 연구는 POSTECH 신소재공학과·친환경소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 정상문 박사·통합과정 이병조 씨 연구팀, 서강대 백서인 교수팀이 수행했으며, 그 우수성을 인정받아 미국화학회(ACS) 발간 학술지인 ‘ACS Catalysis’ 표지논문(front cover)으로 게재됐다. 

수소는 화석 연료를 대체할 청정에너지로 각광받고 있으며, 물을 이용해 수소를 대량 생산하는 ‘수전해’가 중요한 기술로 떠오르고 있다. 특히, 알칼리성 용액을 전해질로 사용하는 ‘알칼리 수전해’ 공정은 비용 효율적이고, 대규모 생산에 적합해 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 

 수전해 공정에서는 두 가지 중요한 반응을 촉진하는 촉매가 필요하다. ‘수소 발생 반응’은 수소 이온(H+)과 전자가 결합하여 수소 기체(H2)를 생성하고, ‘산소 발생 반응’은 수산화이온(OH-)이 전자를 잃고 산소 기체(O2)를 생성하는 과정이다. 그런데, 산소 발생 반응에 주로 사용하는 ‘니켈-철(Ni-Fe)’ 기반의 촉매는 활성과 내구성이 부족해 시스템 상용화에 어려움이 있었다.

 이에 연구팀은 ‘알루미늄’을 활용해 문제를 해결했다. 일반적으로 알칼리성 환경에서는 알루미늄이 쉽게 부식된다고 알려져 있지만, 연구팀은 알루미늄이 전극의 표면에서 안정적인 구조를 형성하도록 설계함으로써 이를 극복했다. 그 결과, 알루미늄은 부식 없이 기존 촉매 전자 구조를 효율적으로 조절하며 산소 발생 반응을 촉진하는 역할을 했다.

 알칼리 수전해용 셀에서 실험한 결과, 연구팀은 니켈-철-알루미늄(Ni-Fe-Al) 촉매가 기존 촉매 대비 약 50% 향상된 성능을 보이며, 낮은 전압에서도 높은 전류 밀도를 유지하는 것을 확인했다. 또한, 장시간 작동에도 뛰어난 안정성을 유지하는 등 연구팀의 촉매는 대규모 수소 생산 공정 적용 가능성을 입증했다. 

 연구를 이끈 김용태 교수는 “이번 연구는 기존 촉매 설계의 고정관념을 깨고, 알루미늄을 활용한 혁신적 접근법으로 수소 생산 시스템에 사용되는 촉매의 성능을 획기적으로 개선했다”라며, “이 연구가 수소 경제 시대를 실질적으로 앞당기고, 친환경 에너지 기술의 새로운 이정표가 되기를 기대한다”라고 전했다.

 한편, 이 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c04393?ref=PDF