업계뉴스

▲ 재료연 연구진이 백금-니켈 원자 정렬에 따른 니켈 용출 억제 원리와 개발한 촉매의 실제 수전해 스택 3,000시간 장기 운전 검증 결과를 확인했다.

한국재료연구원(KIMS)이 장시간 사용할수록 성능이 저하되는 수전해 촉매의 내구성을 획기적으로 높인 기술을 개발했다. 원자 배열을 정밀하게 제어해 촉매 성능 저하의 원인인 니켈(Ni) 용출을 억제하면서 실제 수전해 장치 규모에서 3,000시간 이상 안정적인 운전을 입증해 그린수소 생산 비용 절감과 수전해 시스템 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 국립부경대학교 서민호 교수 연구팀, 포항공과대학교 김원배 교수 연구팀과 공동으로 음이온교환막 수전해(AEMWE)용 고내구 백금-니켈(PtNi) 수소발생 촉매 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 물을 전기분해해 수소를 생산하는 차세대 그린수소 기술로, 기존 수전해 대비 귀금속 사용량과 시스템 비용을 낮출 수 있어 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 다만 수소발생 반응 속도가 느려 고성능 촉매가 필수적이며, 기존 백금-니켈 촉매는 장시간 운전 시 니켈이 용출돼 촉매 구조와 성능이 빠르게 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 백금과 니켈 원자를 규칙적으로 배열하는 ‘고정렬(Ordered) PtNi’ 구조를 구현해 니켈이 촉매 밖으로 빠져나가는 현상을 원자 수준에서 억제했다. 계산과학을 통해 원자 배열이 니켈의 안정성을 높인다는 원리를 규명한 뒤 실제 촉매 합성과 수전해 전극 제작에 적용했다.

개발된 촉매는 저온 수소화붕소나트륨(NaBH₄) 환원법으로 합성한 후 질소 분위기에서 열처리해 원자 배열을 규칙적으로 정렬하는 방식으로 제작됐다. 연구팀은 이를 환원극에 적용해 반쪽전지와 단전지, 64㎠급 대면적 3셀 스택까지 단계적으로 성능을 검증했다.

평가 결과, 기존 무질서 백금-니켈 촉매는 내구성 시험 후 초기 니켈의 약 54%가 감소한 반면, 고정렬 촉매는 약 9%만 감소해 니켈 용출이 크게 억제된 것으로 나타났다. 특히 연구팀은 개발한 촉매를 적용한 64㎠급 대면적 3셀 스택을 약 4개월에 해당하는 3,000시간 동안 연속 운전한 결과 성능 저하가 2% 미만에 그쳐 실제 수전해 시스템에서도 장기간 안정적으로 사용할 수 있음을 확인했다.

이번 기술은 촉매 교체 주기를 늘려 유지관리 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 백금 사용량을 줄이면서도 높은 성능을 유지할 수 있어 경제성 확보에도 도움이 될 것으로 전망된다. 또한 재생에너지 연계 그린수소 생산설비와 분산형 수전해 시스템, 대면적 수전해 스택은 물론 연료전지 등 다양한 전기화학 에너지 시스템으로의 확장 가능성도 제시했다.

최승목 한국재료연구원 책임연구원은 “이번 연구는 음이온교환막 수전해 운전 조건에서 원자 정렬을 통해 니켈 용출을 억제하는 원리를 계산과학으로 규명하고, 이를 상용 수준의 대면적 3셀 스택에서 3,000시간 동안 검증했다는 점에서 의미가 크다”며 “고내구·저귀금속 그린수소 생산기술의 실용화를 앞당기는 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

향후 연구팀은 귀금속 사용량을 더욱 줄이고, 대면적 전극 제조 균일도와 스택 운전 조건을 최적화하는 한편, 실제 운전 환경에서의 부하 변동과 장기 열화 요인을 정밀 분석해 산업 적용 가능성을 높여 나갈 계획이다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 탄소중립기반구축사업(H2NEXTROUND), 나노·소재기술개발사업, KIMS 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 Carbon Energy(IF 24.2, JCR 상위 2.9%)에 7월 1일 온라인 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)