루테늄 나노클러스터 작동 원리 규명
장시간 안정성 확보…상용화 가능성 확인

고가의 백금 촉매를 대체하면서도 알칼리 수전해의 수소 생산 효율을 높일 수 있는 새로운 촉매 설계 원리가 제시됐습니다.

한국연구재단은 KAIST 생명화학공학과 이진우 교수팀이 서울대 한정우 교수, 한국에너지공과대 김우열 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 조성기 박사팀과 공동으로 루테늄 나노클러스터 촉매의 작동 원리를 규명하고, 이를 활용해 음이온 교환막 수전해의 수소 생산 성능을 크게 높였다고 13일 밝혔습니다.

음이온 교환막 수전해는 물을 전기분해해 친환경 수소를 생산하는 기술로, 비교적 저렴한 소재를 사용할 수 있어 차세대 그린수소 생산 기술로 주목받고 있습니다.

하지만 알칼리 환경에서는 수소 발생 반응 속도가 느려 효율을 높이는 촉매 개발이 핵심 과제로 꼽혀왔습니다.

연구팀은 탄소 지지체 위에 다양한 크기의 루테늄 나노클러스터를 합성한 뒤 실제 반응 과정에서 표면 구조가 어떻게 변하는지를 분석했습니다.

그 결과 약 1나노미터 크기의 루테늄 나노클러스터는 수소가 생성되는 환경에서도 루테늄-산소(Ru-O) 결합을 포함한 부분 산화 상태를 안정적으로 유지하는 것으로 확인됐습니다.

연구진은 이 표면 구조가 촉매 주변 물 분자의 배열을 바꾸고 반응 중간체의 흡착을 촉진해 수소 발생 반응 속도를 높인다는 사실도 밝혀냈습니다.

성능 평가에서도 우수한 결과를 보였습니다.

개발된 촉매는 매우 낮은 전압(과전압 20mV)만으로 수소 발생 반응을 유도했고, 귀금속 사용량 대비 높은 수소 생산 성능을 기록했습니다.

또 실제 상용화 환경과 유사한 단일셀 실험에서는 5.34 A/cm2의 높은 전류밀도를 구현했으며, 실용 수준의 전류 조건에서도 1 A/cm2에서 400시간 이상 안정적으로 작동해 내구성도 입증했습니다.

이진우 교수는 "이번 연구가 루테늄 촉매의 크기와 원자 구조가 실제 작동 과정에서 표면 상태와 물 분자 배열을 어떻게 변화시키는지 규명한 성과"라며, "앞으로 고성능 알칼리 수전해 촉매와 그린수소 생산 기술 개발의 중요한 기반이 될 것"으로 기대했습니다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 6월 4일 자 온라인 판에 게재됐습니다.