고려대학교(총장 김동원) 연구팀이 산성 수전해 환경에서도 높은 활성과 내구성을 유지하는 차세대 나노촉매 설계 전략을 제시했다.

고려대 화학과 이광렬 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 고려대 KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀과 공동으로 수전해용 고안정성 루테늄 촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.

수전해는 물을 수소와 산소로 분해해 그린수소를 생산하는 핵심 기술이다. 하지만 산성 환경과 높은 전압 조건에서는 촉매 성능이 빠르게 저하되는 문제가 있었다.

특히 산소발생반응(OER)은 4개의 전자가 관여하는 복잡한 반응으로 속도가 느리고 에너지 손실이 커 고활성·고내구성 촉매 개발이 과제로 꼽혀왔다.

루테늄 산화물 촉매는 기존 이리듐 산화물보다 활성은 높고 비용 부담은 낮지만, 산성 고전위 조건에서 루테늄이 쉽게 과산화돼 녹아내리는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 촉매 내부 구조를 새롭게 설계했다.

먼저 속이 빈 다중 프레임 형태의 백금-니켈 나노구조 표면에 루테늄을 성장시킨 뒤 열처리를 진행했다. 이 과정에서 니켈 산화로 발생한 내부 변형에 의해 루테늄이 내부로 이동하면서 루테늄 산화물과 백금이 촘촘하게 연결된 ‘모자이크형 이종계면’ 구조가 형성됐다.

연구팀은 이 구조에서 백금이 ‘전하 완충재’ 역할을 하며 루테늄 산화물이 과산화 상태로 변하는 것을 억제한다는 점을 확인했다. 이를 통해 루테늄 용출을 줄이고 안정성을 높였다는 설명이다.

개발된 촉매는 산성 조건에서 10mA㎠ 전류 밀도 기준 168mV의 낮은 과전압을 기록했으며, 540시간 이상 안정적으로 작동했다.

이광렬 교수는 “나노촉매 내부 원자의 이동 방향을 정밀하게 제어해 기존 방식으로 구현하기 어려웠던 고밀도 이종계면 구조를 형성한 연구”라며 “산성 수전해뿐 아니라 다양한 고성능 에너지 촉매 설계에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 5월 7일 온라인 게재됐다.