전자 전달 저항 해결로 비용은 낮추고 성능은 높여…EES 게재로 국제적 주목

KAIST 연구진이 기존 수소 생산 기술의 병목이었던 고비용 백금 사용 문제를 해결하며 수소경제 실현에 한 발 더 다가섰다. 전자 전달 저해 문제를 세계 최초로 규명하고, 단순한 촉매 입자 크기 조절만으로도 고성능을 구현할 수 있는 수전해 시스템을 개발한 것이다. 이 기술은 차세대 청정 수소 생산의 핵심으로, 향후 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다.

KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 한국에너지기술연구원(KIER) 두기수 박사와의 공동연구를 통해, 고가의 백금(Pt) 코팅 없이도 안정적인 수전해 성능을 확보할 수 있는 촉매 계면 설계 기술을 개발했다고 11일 밝혔다

기존 고순도 수소 생산 기술인 양이온 교환막 수전해(PEMWE)는 높은 성능에도 불구하고 고비용 귀금속 촉매와 백금 코팅 의존도가 높아 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 연구팀은 이리듐 산화물(IrOx) 촉매가 본래 성능을 내지 못하는 원인을 ‘전자 흐름 저해’로 지목했다. 특히 촉매, 이오노머, 티타늄 기판 사이의 계면에서 발생하는 ‘핀치오프(pinch-off)’ 현상이 문제의 핵심이었다.

이오노머는 전기 절연체에 가까운 성질을 지녀 촉매 입자를 감싸면서 전자 이동을 방해했고, 티타늄 표면의 산화막(TiOx)은 전자 에너지 장벽을 추가로 형성해 저항을 더욱 높이는 것으로 밝혀졌다.

나노 단위 입자 조절로 전도성 회복…비용과 효율 모두 잡다

연구팀은 IrOx 촉매 입자의 크기를 조절해 이 문제를 해결할 수 있다는 사실을 실험과 시뮬레이션을 통해 세계 최초로 입증했다. 20나노미터 이상의 비교적 큰 입자를 사용할 경우, 이오노머 혼합 영역이 줄어들며 전자 통로가 확보되고 전도성이 회복된 것이다.

특히 평균 직경 4nm, 13nm, 24nm의 입자를 비교한 단일전지 실험에서, 4nm 입자는 백금이 없을 경우 작동 불가 수준의 저성능을 보였으나, 24nm 입자에서는 우수한 성능이 구현되며 입자 크기의 중요성을 명확히 보여주었다.

또한 이오노머 함량 조절, 촉매층 밀도 변화 등을 통한 계면 최적화 설계를 통해 전자 흐름과 반응성을 동시에 확보하는 데 성공했다. 이는 촉매 활성도와 전도도 사이의 상충관계를 설계로 극복할 수 있음을 보여준 대표 사례로 꼽힌다.

이 연구 성과는 세계적 권위의 에너지·환경 분야 국제 학술지인 『Energy & Environmental Science』(IF 32.4) 2025년 6월 7일 자에 게재되었으며, 그 파급력과 혁신성을 인정받았다. 논문 제목은 “On the interface electron transport problem of highly active IrOx catalysts”(DOI: 10.1039/D4EE05816J)이다.

김희탁 교수는 “기존 수전해 시스템의 병목이었던 계면 전도성 문제를 세계 최초로 규명하고, 이를 해소할 수 있는 구체적인 해법을 제시한 데 의미가 크다”며, “이번 기술은 귀금속 없이도 고효율 수소 생산이 가능하다는 점에서 수소경제 실현을 앞당기는 결정적 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부의 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 박지수 박사과정생이 제1저자로 참여하였다.

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