고려대–KIST, 산성 수전해용 고안정성 루테늄 촉매 설계

이광렬·유성종·백서인 교수 연구팀, 루테늄 산화물·백금 모자이크형 이종계면 구현… 540시간 이상 안정 작동

고려대학교와 한국과학기술연구원 공동 연구팀이 산성 수전해 촉매의 활성과 내구성을 동시에 높이는 차세대 나노촉매 설계 전략을 제시했다. 고려대 화학과 이광렬 교수 연구팀은 KIST 유성종 박사 연구팀, 고려대 KU-KIST융합대학원 백서인 교수 연구팀과 함께 산성 수전해용 고안정성 루테늄 촉매를 설계했다고 밝혔다. 이번 연구는 그린수소 생산 과정에서 핵심 반응으로 꼽히는 산소발생반응의 효율과 촉매 안정성을 높이기 위한 성과다.

수전해는 물을 수소와 산소로 분해해 그린수소를 생산하는 핵심 기술이다. 효율적인 그린수소 생산을 위해서는 산성 환경과 높은 전압 조건에서 안정적으로 작동하는 촉매가 필요하다. 특히 수전해 장치의 양극에서 일어나는 산소발생반응은 4개의 전자가 관여하는 복잡한 반응으로, 반응 속도가 느리고 에너지 효율을 낮추는 주요 원인으로 꼽힌다. 루테늄 산화물 촉매는 기존에 널리 사용되는 이리듐 산화물 촉매보다 산소발생반응 활성이 높고 비용 부담이 낮다는 장점이 있다. 그러나 산성 고전위 조건에서는 루테늄이 쉽게 과산화되어 용출되기 때문에 장기 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이러한 불안정성을 해결하기 위해 루테늄 산화물 촉매의 내부 구조를 새롭게 설계했다.

연구팀은 먼저 속이 빈 다중 프레임 형태의 백금-니켈 나노구조 표면에 루테늄을 성장시킨 뒤 열처리를 진행했다. 이 과정에서 니켈이 산화되며 구조 내부에 미세한 변형이 발생했고, 그 힘에 의해 표면에 있던 루테늄이 내부로 이동했다. 그 결과 루테늄 산화물과 백금이 나노 크기 내부에서 촘촘하게 연결된 ‘모자이크형 이종계면’이 형성됐다.

이종계면은 성질이 다른 두 물질이 나노 단위 구조에서 서로 밀착해 있는 경계면을 뜻한다. 이번 연구에서는 백금과 루테늄 산화물이 모자이크처럼 맞닿는 구조가 형성되면서, 산소발생반응 중 루테늄 산화물의 불안정한 산화 상태를 억제하는 효과가 나타났다.

연구팀은 반응이 진행되는 동안 루테늄 산화물이 안정한 산화 상태를 유지하는 반면, 인접한 백금이 먼저 산화되며 전하를 우선적으로 받아들이는 것을 확인했다. 백금이 일종의 전하 완충재처럼 작용해 루테늄 산화물이 용출되기 쉬운 과산화 상태로 변하는 것을 억제한 것이다. 이 구조를 적용한 촉매는 산성 조건에서도 높은 활성과 장기 안정성을 동시에 나타냈다. 연구팀이 개발한 모자이크형 이종계면 촉매는 10mAcm-2의 전류 밀도 조건에서 168mV의 낮은 과전압을 보였으며, 540시간 이상 안정적으로 작동했다. 과전압은 수전해 반응에서 촉매의 비효율성 때문에 추가로 필요한 전기 에너지 손실을 의미한다.

이광렬 고려대 교수는 이번 연구가 나노촉매 내부에서 원자의 이동 방향을 정밀하게 제어해 기존 방법으로는 구현하기 어려웠던 고밀도 이종계면 구조를 형성한 사례라고 설명했다. 이어 이러한 합성 전략은 산성 수전해 촉매를 넘어 다양한 고성능 에너지 촉매 설계에도 활용될 수 있을 것이라고 밝혔다. 그는 향후 실제 수전해 시스템에서 상용 촉매를 뛰어넘는 고활성·고내구성 촉매 개발로 연구를 확장할 계획이라고 덧붙였다.

이번 연구에는 고려대·KIST 박예지 박사와 고려대 화학과 김도엽 박사과정이 제1저자로 참여했다. 백서인 고려대 KU-KIST융합대학원 교수, 유성종 KIST 수소·연료전지연구단 박사, 이광렬 고려대 화학과 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 온라인에 5월 7일 게재됐다. 논문명은 ‘Strain-Directed Ru Redistribution to Form RuO2/Pt Mosaic Heterointerfaces for Acid-Stable Water Oxidation’이다.

이번 성과는 산성 수전해 환경에서 루테늄 촉매의 높은 활성은 유지하면서도 장기 내구성을 보완할 수 있는 구조 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 고려대와 KIST 공동 연구팀은 루테늄 산화물과 백금의 나노 이종계면을 활용해 그린수소 생산용 촉매 설계의 새로운 방향을 제시했다.

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