원자 배열 제어로 니켈 용출 억제하고 3,000시간 버틴 고내구 수전해 촉매 구현
촉매 수명 향상으로 그린수소 생산비용 절감 및 수전해 시스템 상용화 기여 기대
한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 국립부경대학교 서민호 교수 연구팀, 포항공과대학교 김원배 교수 연구팀과 공동으로, 음이온교환막 수전해(AEMWE) 촉매의 수명을 떨어뜨리는 핵심 원인인 니켈(Ni) 용출을 원자 배열 제어로 억제하는 고내구 백금-니켈(PtNi) 수소발생 촉매 기술을 개발했다.
이번 성과는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 수전해 촉매의 고질적 한계를 원자 수준에서 해결하고, 실제 수소 생산 장치에 가까운 규모에서 3,000시간을 장기 운전한 후에도 성능 저하 2% 미만을 달성한 것이다. 그린수소 생산용 수전해 촉매의 실용화 가능성을 높인 기술로 평가된다.
음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 물을 전기분해해 수소를 생산하는 차세대 그린수소 기술로, 고가의 귀금속 사용량과 시스템 비용을 낮출 수 있어 주목받고 있다. 그러나 알칼라인 환경에서는 수소발생 반응이 상대적으로 느려 성능 좋은 촉매가 필요하다. 백금에 니켈을 합금한 기존의 백금-니켈 촉매는 처음에는 수소를 잘 만들지만, 장시간 운전하면 니켈이 이온 또는 수산화물 형태로 촉매 밖으로 녹아 나가 촉매 조성과 전자구조가 변하고, 이에 따라 성능이 빠르게 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해, 백금과 니켈 원자를 규칙적으로 배열해 니켈이 촉매 밖으로 쉽게 녹아 나가지 않도록 하는 고정렬 백금-니켈(PtNi) 수전해 촉매 기술을 개발했다. 기존의 백금-니켈 촉매는 백금과 니켈 원자가 무작위로 섞여 있어 장시간 운전 중 니켈이 빠져나가기 쉬웠지만, 이번 기술은 두 원자를 정해진 위치에 질서 있게 배열해 촉매 구조를 안정화한 것이 핵심이다. 연구팀은 계산과학을 통해 고정렬 백금-니켈 구조에서 니켈이 더 안정적으로 고정되고 용출이 어려워진다는 원리를 규명했으며, 이를 실제 촉매 합성과 수전해 전극 제작에 적용했다.
이번 기술은 먼저 저온 수소화붕소나트륨(NaBH4) 환원법으로 백금과 니켈이 섞인 촉매를 만든 뒤, 공기와의 불필요한 반응을 막기 위해 질소를 채운 상태에서 가열해 원자들이 규칙적으로 자리 잡도록 했다. 쉽게 말해, 처음에는 무작위로 섞여 있던 백금과 니켈 원자를 열처리 과정에서 다시 정돈해, 니켈이 촉매 안에서 더 안정적으로 머물 수 있는 구조를 만든 것이다. 연구팀은 이렇게 제작한 고정렬 백금-니켈 촉매를 수전해 장치에서 수소가 만들어지는 전극인 환원극에 적용하고, 반쪽전지와 단전지, 대면적 3셀 스택까지 단계적으로 성능을 검증했다.
개발된 고정렬 백금-니켈 촉매는 기존 무질서 촉매보다 니켈이 훨씬 덜 빠져나가는 것으로 확인됐다. 내구성 평가 후 기존 무질서 촉매에서는 초기 니켈의 약 54%가 감소했지만, 고정렬 촉매에서는 약 9%만 감소했다. 이는 원자 정렬 구조가 니켈 용출을 효과적으로 억제해 촉매 구조를 오래 유지한다는 뜻이다. 특히 연구팀은 64㎠급 대면적 3셀 스택에 개발 촉매를 적용해 약 4개월에 해당하는 3,000시간 동안 운전했으며, 이때 성능 저하는 2% 미만에 그쳐 실제 수전해 장치에서도 장시간 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.
이번 성과는 그린수소 생산설비에서 촉매를 더 오래 사용할 수 있는 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 크다. 수전해 장치는 촉매 성능이 빨리 떨어지면 교체와 유지관리 비용이 증가하기 때문에, 장기 내구성 확보가 상용화의 중요한 조건이다. 이번에 개발한 기술은 백금 사용량을 줄이면서도 촉매 성능을 오래 유지할 수 있어, 재생 에너지 연계 수소 생산설비, 분산형 수전해 시스템, 대면적 수전해 스택 등에 활용될 것으로 기대된다. 또한 원자 정렬을 이용한 촉매 설계 방식은 다른 백금-전이금속 촉매와 연료전지 등 다양한 전기화학 에너지 시스템으로도 확장될 수 있다.
연구책임자인 KIMS 최승목 책임연구원은 “이번 연구는 음이온교환막 수전해 운전 조건에서 니켈 용출을 막는 원자 정렬 효과를 계산과학으로 설명하고, 이를 실제 촉매 분석과 상용 수준의 대면적 3셀 스택에서 3,000시간 동안 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “소재의 우수한 성능이 실제 수전해 시스템에서도 유지될 수 있음을 보여준 만큼, 고내구·저귀금속 그린수소 생산기술의 실용화를 앞당기는 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.