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• KAIST·화학연·건국대, 그린수소 생산 효율 획기적 개선

  송고일 : 2026-05-28
  
  

  2D 메조다공성 촉매층 기반 그린수소 생산 기술(AI생성이미지) /KAIST 제공

  [투데이에너지 장재진 기자] KAIST는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 2차원 메조다공성 탄소 기반의 결함 유도 촉매층 구조를 개발해 수전해 장치에서 발생하는 기포로 인한 물질 전달 저해 문제를 해결했다고 28일 발표했다.

  KAIST에 따르면, 이 구조는 물·이온·기체가 빠르게 이동할 수 있는 저굴곡 경로를 제공해 고전류 운전 시에도 우수한 전기분해 성능과 장기 안정성을 확보한다.

  재생에너지 기반 그린수소 생산에서 음이온교환막 수전해(AEMWE)는 낮은 귀금속 사용량과 경제성으로 주목받지만, 고전류 운전 조건에서는 촉매층 내부에서 생성된 기포와 제한적 물질 전달로 인해 성능 급감과 높은 과전압 문제가 발생해왔다. 장시간 운전 시 촉매 응집 및 계면 열화도 안정성 저하의 원인으로 지목된다.

  연구팀은 종이처럼 얇은 2차원 메조다공성 탄소(2D mesoporous carbon) 나노시트를 활용해 촉매층 내부에 저굴곡(low-tortuosity) 구조, 즉 물·기체·이온이 직선에 가깝게 이동할 수 있는 통로를 설계했다. 이를 통해 기존의 촉매 활성 향상 중심 접근법에서 탈피해 ‘구조적 물질 전달성’ 개선을 핵심 전략으로 삼았다.

  결함이 도입된 탄소 표면에 루테늄(Ru) 나노클러스터를 안정적으로 고정해 강한 Ru–C 계면 결합을 형성함으로써 수소 발생 반응(HER) 속도를 높이고 촉매 응집을 억제했다. Ru–C 계면은 수소 및 수산화물 중간체의 흡착 특성을 최적화해 알칼라인 조건에서 느린 HER kinetics를 효과적으로 개선한다.

  해당 설계는 미 에너지부(DOE)의 2026년 목표를 뛰어넘는 수준의 수전해 성능을 달성했고, 낮은 귀금속 사용량으로도 장기 안정성을 확보해 대규모 그린수소 상용화 가능성을 제시한다.

  연구 결과는 Joule 저널에 2026년 5월 22일 온라인 게재되었으며 정식 호 게재가 예정되어 있다.

  (윗줄_왼쪽부터)KAIST변재호 박사과정생, 반민경 박사과정생. (아랫줄 왼쪽부터)이진우 교수, 화학연 김성준 박사, 건국대 이장용 교수. /KAIST 제공

  연구팀은 FIB-SEM, 수은 압입법 등 다양한 미세구조 분석 기법을 통해 촉매층 내부의 전달 경로와 기포 배출 특성을 확인했다. 이러한 분석을 통해 저굴곡 구조가 실제로 물질 전달과 기포 제거에 유의미한 개선을 가져옴을 입증했다.

  이번 연구는 촉매 활성 자체 개선뿐 아니라 촉매층 구조 설계가 병행돼야 실제 장치 성능과 내구성을 확보할 수 있음을 분명히 했다. 이는 그린수소 대규모 생산을 위한 스택·셀 설계, 재료 선택, 비용 구조 재검토 및 정책적 지원(예: R&D·시범 플랜트 투자)에서 중요한 기술적 지침을 제공한다 .

  촉매 활성과 촉매층 구조를 동시에 설계하는 접근은 고전류 환경에서의 기포 문제와 물질 전달 병목을 극복해 경제적이고 안정적인 그린수소 생산으로의 전환을 앞당길 수 있다 .

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)