한양대학교 ERICA 화학분자공학과 김병현 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 이영준·이성호 박사 공동연구팀이 탄소 배출 없는 ‘청정 수소’ 생산을 한층 경제적이고 효율적으로 구현할 수 있는 고성능 촉매 기술을 개발했다고, 5일 밝혔다.

기존 알칼라인 수전해 방식은 산성 환경(PEM 수전해)에 비해 설비 비용이 낮고 구조가 단순한 장점이 있지만, 물의 해리를 통한 수소 이온(H+) 형성이 상대적으로 느리고, 수소 발생 반응 역시 속도 제한이 있는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 KIST와 한양대 공동sa 토토사이트팀은 탄소 나노섬유(CNF) 내에 티타늄 산화물을 형성하고, 이중 형태의 로듐 단일 원자를 배치하여 반응성을 극대화한 촉매(Rh-TiO2/CNF)를 개발했다.

sa 토토사이트팀은 탄소 나노섬유(CNF) 지지체와 티타늄 산화물(TiO2) 간의 상호작용을 활용하여 로듐(Rh) 단일 원자를 질소(Rh-Nx)와 산소(Rh-Ox)로 이중 고정함으로써 촉매 표면에서 수소 발생 반응을 촉진하고 물 분해 단계의 에너지 장벽을 낮췄다. 이를 통해 알칼라인 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 환경에서 고효율 수소 생산을 구현했다.

이 촉매의 효과는 다양한 실험 및 계산화학 분석을 통해 검증됐으며, Rh-Nx와 Rh-Ox의 조합이 수소 발생 반응과 물 분해를 촉진하고, 티타늄 산화물과 탄소 나노섬유가 로듐 단일 원자의 전자 구조를 안정적으로 유지하여 장시간 고효율 반응을 가능하게 한다는 결과를 도출했다.

이번 sa 토토사이트에서 sa 토토사이트팀은 셀 면적당 전류 밀도를 1 A cm-2까지 안정적으로 유지하며, 225시간 이상 고출력 운전을 지속할 수 있는 성과를 거두었으며, 산업화 단계를 고려한 2셀 AEMWE 스택을 제작하여 우수한 안정성과 높은 효율을 입증했다. 이 촉매는 기존의 고가의 귀금속 촉매(Pt, Ir 등)를 대체하거나 보완할 수 있으며, 귀금속의 사용량을 획기적으로 줄여 경제적 경쟁력을 갖춘 대안으로 기대된다.

알칼라인 조건에서 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)의 느린 속도를 개선한 이번 sa 토토사이트는 산업 규모의 대형 전해조(셀 스택)에도 적용 가능하다는 점에서 차세대 친환경 수소 생산 기술에 큰 이정표가 될 전망이다.

연구를 주도한 KIST 이영준 박사는 “이번에 개발된 바이너리 로듐 단일 원자 촉매 기술은 알칼라인 조건에서의 수소 생산 효율을 획기적으로 향상시켜 차세대 청정 수소 경제의 실현에 기여할 것”이라고 밝혔다.

한양대 ERICA 김병현 교수는 “계산화학을 활용해 수전해 촉매 성능 향상 요인을 규명하는 데 성공했으며, 이를 통해 새롭게 개발될 촉매 설계에 큰 기여를 할 것”이라고 강조했다.

이 sa 토토사이트는 국가과학기술sa 토토사이트회의 미래선도형 융합sa 토토사이트단사업과 STEAM sa 토토사이트사업의 지원을 받아 수행됐으며, sa 토토사이트 결과는 1월 20일 재료과학 분야 국제 학술지 「Advanced Science」에 게재됐다. 해당 논문 「Synergistic Configuration of Binary Rhodium Single Atoms in Carbon Nanofibers for High-Performance Alkaline Water Electrolyzer」는 KIST Natarajan Logeshwaran 박사와 한양대 ERICA 김규찬 박사과정생이 제1저자로, 한양대 ERICA 김병현 교수, KIST 이영준 박사, KIST 이성호 박사가 교신저자로 참여했다.