성냥개비 탑 모양의 3차원 적층 수소 촉매 구조 및 성능 그래프.

성냥개비 탑 모양의 3차원 적층 수소 촉매 구조 및 성능 그래프.

KAIST는 차세대 청정 에너지원인 수소 생산 촉매의 효율을 기존보다 20배 이상 높이는 기술을 개발했다고 8일 발표했다.

수소를 생산하는 효율적 방법 중 하나는 '고분자 전해질 막 수전해(PEMWE)' 기술을 사용하는 것이다. 이 기술은 전해액을 사용하지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 생산되는 수소의 순도가 높고, 장치 부식 문제도 없다. 그러나 사용되는 분리막이 비싸고, 이리듐(Ir) 등 단가가 높은 귀금속 촉매(전극)가 필요하다는 단점이 있다.

KAIST 신소재공학과 정연식 교수, KIST 수소연료전지연구단 김진영 책임연구원은 PEMWE 장치 양극에 사용되는 이리듐 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 3차원(3D) 촉매 제작 기술을 개발했다고 밝혔다. 3D 프린팅과 유사한 '초미세 전사프린팅 적층' 방식을 써서 성냥개비 탑 모양으로 촉매를 쌓아 제작하는 신기술이다.

연구팀 관계자는 "무작위적 형상과 배열을 갖는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리, 3차원 적층 촉매는 규칙적 구조를 갖고 있어 표면에 형성된 가스 버블이 잘 빠져나온다"고 설명했다. 수소 생산 과정에서 촉매의 성능 저하가 별로 없다는 뜻이다.

이 관계자는 "성냥개비 탑 형상의 3차원 촉매를 사용하면 훨씬 더 적은 양의 이리듐을 사용하고도 PEMWE 장치 성능을 높일 수 있다"며 "이리듐 질량당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상 높은 효율을 달성했다"고 덧붙였다.

미국 MIT 박사과정 김예지 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 실렸다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com

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