KAIST는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀, 건국대교 이장용 교수 연구팀과 공동으로 수전해 과정에서 발생하는 기포로 인한 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 새로운 촉매층 설계 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술로, 탄소를 배출하지 않는 친환경 수소 생산 방식으로 주목받는다. 하지만 반응 과정에서 생기는 기포가 촉매층 내부에 쌓이면서 물과 전자의 이동을 방해해 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 촉매 활성 자체를 높이는 기존 방식에서 벗어나 촉매층 내부의 물질 이동 구조를 새롭게 설계하는 접근법을 제시했다. 종이처럼 얇은 2차원 메조다공성 탄소 나노시트를 활용해 물과 기체가 빠르게 이동할 수 있는 저굴곡 구조를 구현한 것이다.

또 결함이 있는 탄소 표면에 루테늄(Ru) 나노입자를 안정적으로 고정해 수소 발생 반응을 촉진하고 장시간 운전에도 촉매 성능이 유지되도록 했다.

연구 결과 촉매층 내부에 머물던 기포가 빠르게 배출되면서 고전류 조건에서도 안정적인 반응이 가능해졌다. 연구팀은 이를 통해 수전해 장치의 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있음을 확인했다.

특히 80℃ 환경에서 17.1A/㎠의 전류밀도를 기록해 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2026년 수전해 성능 목표를 넘어서는 결과를 얻었다. 전류밀도는 단위 면적에서 생산할 수 있는 수소의 양과 직결되는 지표다.

경제성 측면에서도 성과를 거뒀다. 연구팀은 촉매에 사용되는 귀금속 루테늄의 사용량을 0.09mg/㎠ 수준으로 낮추면서도 1000시간 이상 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 고가의 귀금속 사용 부담을 줄여 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

연구팀은 이번 연구의 핵심이 단순히 성능이 우수한 촉매를 개발한 데 있는 것이 아니라, 수소가 생성되고 이동하는 경로를 함께 설계한 데 있다고 설명했다. 촉매층 내부에 물과 기체가 원활하게 흐를 수 있는 통로를 확보함으로써 기존 수전해 장치의 병목 현상을 해결했다는 것이다.

이진우 교수는 “촉매 성능뿐 아니라 에너지가 이동하는 경로까지 함께 설계해 수전해 효율을 높인 연구”라며 “적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능하다는 점을 확인한 만큼 향후 친환경 수소 생산 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 변재호·반민경 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 5월 22일 온라인 게재됐으며 9월 발간되는 정식 호에 실릴 예정이다.