한국재료연구원, 초박막 코팅으로 수전해 촉매 성능·내구성 높여

5나노미터 코팅 적용…기존 대비 성능 1.9배, 1천 시간 안정성 확인

한국재료연구원이 얇은 표면 코팅으로 수소 생산에 쓰이는 수전해 촉매의 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

한국재료연구원은 수소·전지재료연구센터 양주찬 책임연구원 연구팀이 포항공과대학교 기계공학과 안지환 교수 연구팀과 공동으로 이 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해는 전기로 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 이 과정에서 반응 속도가 느린 산소 발생반응을 촉진하려면 고성능 촉매가 필요하다. 페로브스카이트 촉매는 반응 성능이 뛰어나지만 장시간 사용하면 금속 성분이 빠져나가 구조가 무너지고 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 촉매 표면에 약 5나노미터(nm) 두께의 니켈·철 기반 수산화물을 코팅해 이 문제를 개선했다. 촉매를 용액에 담갔다가 건조하는 방식으로 코팅층을 형성할 수 있어 공정도 간단하다.

코팅층은 촉매를 보호하면서 반응을 촉진하는 역할을 한다. 코팅층과 촉매가 맞닿는 경계면에서 전자 이동을 원활하게 해 산소 발생반응을 빠르게 하고, 금속 성분이 빠져나가는 현상을 억제해 구조적 안정성을 높였다.

연구팀은 실제 음이온교환막 수전해 장치에서 기존 촉매 대비 약 1.9배 높은 성능을 확인했다. 1천 시간 장기 운전 후에도 코팅층이 안정적으로 유지됐다. 실시간 분석과 이론계산을 통해 성능과 내구성이 함께 향상되는 작동 원리도 규명했다.

연구팀은 이번 기술을 대면적 전극과 산업용 수전해 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

양주찬 책임연구원은 "이번 연구는 기존 고성능 촉매를 새롭게 만드는 대신 간단한 표면처리로 한계를 보완할 수 있는 실용적인 접근법을 제시했다"며 "향후 대면적 전극과 실제 수전해 시스템으로 기술을 확대해 그린수소 생산의 효율과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 게재됐으며, 해당 학술지의 뒷표지 논문으로 선정됐다.