수소생산 구동 전압 8분의 1로 낮춘 수전해 촉매 개발

[국이]

수소생산 구동 전압 8분의 1로 낮춘 수전해 촉매 개발

홍익대 연구팀, 비정질 전이금속화합물 기반 하이드라진 촉매 설계 전략 제시
대칭형 수전해 시스템으로 양극·음극 동시 저전압 구현

PtSe2 기반 이종구조 촉매의 이론적 모식도와 투과전자현미경을 통한 백금 클러스터, 결정성 PtSe2 및 비정질 PtSexOy 이종구조의 실험적 관찰. (홍익대학교 이원규 교수 제공. 

 한국연구재단은 홍익대학교 이원규 교수 연구팀이 기존 수소 생산 방식 대비 구동 전압을 8분의 1 이하로 낮출 수 있는 혁신적인 수전해 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 연구는 층상 백금 셀레늄 화합물(PtSe₂) 표면에 산소 플라즈마 처리를 적용해 백금 나노클러스터와 비정질 산화층이 공존하는 표면 이종구조를 형성한 점이 핵심이다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 기존 수전해는 양극 산소 발생 반응 속도가 느리고 많은 에너지가 필요해 구동 전압이 높다는 한계가 있었다. 이를 개선하기 위해 하이드라진 산화반응으로 양극 반응을 대체하는 기술이 부각되고 있으나, 기존 백금계 촉매는 반응 중간체가 촉매 표면에 쌓이면서 성능 저하 문제가 있었다.

이원규 홍익대학교 신소재공학과 조교수(교신저자, 위 왼쪽부터), 김민호 경희대학교 응용화학과 조교수(교신저자), 김인수 아르곤국립연구소 나노스케일재료센터 연구원(교신저자), 한선경 홍익대학교 신소재공학과 석사(제1저자, 아래 왼쪽부터), 권영하 경희대학교 석사(제1저자), 전호태 홍익대학교 석사(제1저자). (한국연구재단 제공. 

연구팀은 산소 플라즈마 처리를 통해 PtSe₂ 표면에 비정질 산화층과 백금 클러스터가 공존하는 이종구조를 구현했다. 이 구조는 백금 클러스터에서 비정질 산화층으로 전자가 이동해 하이드라진의 질소-수소 결합이 쉽게 끊어지고 중간체가 빠르게 제거되어 촉매의 성능 저하를 극복했다.

특히 대칭형 하이드라진 보조 수전해 시스템에 동일 촉매를 양극과 음극에 적용해 구동 전압을 기존 산소발생반응 기반 수전해 대비 약 8분의 1 수준으로 낮췄다. 또한, 140시간 연속 구동에도 안정적 성능을 유지해 장기 내구성도 확인했다.

이원규 교수는 "이번 연구는 산소 플라즈마를 이용해 하나의 PtSe₂ 표면에 두 반응을 모두 촉진하는 구조를 만들었다는 점에서 차별성이 있다"며 "수소 생산의 에너지 효율뿐 아니라 반응 중간체의 흡착으로 촉매 활성이 저하되는 다양한 전기화학 반응에도 활용될 것으로 기대된다"고 밝혔다.