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KIST, 수소연료전지·수전해 시스템 내구성 개선 ‘이리듐 나노 촉매’ 개발 2021-08-19
한음표 기자 hup@mtnews.net

[기계신문] 탄소중립을 실현하기 위한 방법으로 그린수소를 생산하는 수전해 기술과 수소연료를 이용해 전기를 생산하는 수소연료전지가 주목받고 있지만, 구동 시스템의 내구성 문제는 이러한 기술이 널리 쓰이지 못하는 걸림돌 가운데 하나였다.


수소연료전지와 수전해 시스템이 구동될 때 수소와 산소가 만나 전기가 생성되면서 물도 함께 생성되는데, 생성된 물이 연료전지 촉매의 표면을 덮을 경우 산소와 반응해야 하는 수소가 순간적으로 부족하게 되어 전극의 일부인 탄소가 이산화탄소로 산화되어 공기 중으로 날아가기 때문이다.



▲ 연료전지의 연료부족 현상과 수전해 시스템의 역전압 현상으로 내구성이 저하되는 메커니즘



한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 베를린 공과대학교(TU-Berlin)와 공동연구를 통해 수소연료전지 및 수전해 시스템의 전극에서 발생하는 내구성 저하 문제를 해결할 수 있는 이리듐 나노 촉매를 개발했다.


이리듐(Ir)은 연료전지의 수소 산화 및 수전해 설비의 산소 생산, 수소 생산 반응에 효과적으로 도움을 주는 촉매지만, 쉽게 산화되어 이리듐 산화물(IrO) 형태로 존재하기 때문에 전극의 부식은 막을 수 있으나 백금 촉매의 활성을 오히려 방해하는 문제가 있었다.


이 때문에 이리듐 산화물로 변해 연료전지 및 수전해 설비의 기능을 방해하는 골칫덩이가 되어버린 촉매를 다시 이리듐 금속으로 되돌리는 것이 이리듐 산화물을 사용하기 위한 필수적인 과제였다.



▲ 결정성 이리듐 나노 촉매 표면에서의 비화물/비산화물 가역성 원리 설명 개요도 *OER : Oxygen Evolution Reaction, 산소 발생 반응 / HER : Hydrogen Evolution Reaction, 수소 발생 반응


KIST 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적인 반응 시에는 이리듐 금속으로 존재해 촉매로서의 역할을 하고, 전극이 부식될 위험이 발생하면 이리듐 산화물로 변해 부식을 막을 수 있는 스마트 촉매를 개발했다.


새로운 분석 플랫폼인 실시간 분석(in-situ/operando analysis)을 통해 이리듐 촉매의 화학 변화를 조절할 수 있는 이리듐 산화물의 산화 피막의 두께를 찾아내어 상황에 맞춰 이리듐(Ir)-이리듐 산화물(IrO)의 형태를 자율적으로 변환될 수 있는 촉매를 개발했다.



▲ 물 산화 반응 후 수소 산화 반응, 수소 생성 반응 시에 결정성 이리듐 나노 촉매 표면의 산화층의 형태 변화 개요도


개발된 촉매는 탄소 전극의 부식 위험이 있을 때는 이리듐 산화물로 변해 부식을 막아 내구성을 높이고, 정상 구동 조건에서는 빠르게 이리듐 금속으로 돌아와 촉매로서 기능한다. 기존 상용 백금 촉매가 40% 성능 감소를 보이는 가혹 조건 내구성 평가에서 9%의 성능 감소만을 보였다,


KIST 오형석 박사는 “개발한 이리듐 촉매 분석 플랫폼으로 연료전지 및 수전해 시스템의 내구성 문제를 해결할 수 있는 새로운 연구 개발 방향을 제시했다”며 “금속 및 금속 산화물 간의 전기화학적 가역성을 가지는 촉매 개발을 통해 하나의 촉매로 다양한 전기화학 반응에 적용 가능해 수소자동차 및 그린수소 생산 수전해 시스템의 내구성 개선 전략으로서 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 차세대탄소자원화 및 Carbon to X 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제학술지 Nature Communications최신 호에 게재되었다.


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