그린 수소 생산비용 대폭 절감 기대

국내 대학 연구팀이 차세대 친환경 에너지원인 그린 수소 생산 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 기술을 개발했다.

수소는 생산 방식과 탄소 배출 여부에 따라 색으로 구분해 그레이, 블루, 그린 수소로 나뉜다. 그레이 수소는 화석연료 기반으로 탄소 배출이 크다. 블루수소는 배출된 탄소를 포집, 저장(CCS)해 줄이는 방식이다. 그린수소는 태양광, 풍력 등을 통해 생산한 재생에너지, 원자력 전력으로 물을 전기분해(수전해)해 생산하는데, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 거의 없는 '청정수소'로 분류딘다. 블루수소는 기존 인프라 활용과 경제성 측면에서 대량 공급이 가능하며, 그린수소는 기술, 비용 보완이 필요하다.


고려대는 이병훈 KU-KIST 융합대학원 교수 연구팀이 성영은, 현택환 서울대 교수 연구팀, 김민호 경희대 교수 연구팀과 함께 고엔트로피 도핑 설계를 적용한 '산성 수전해용 고내구성 루테늄 기반 촉매(HED/RuO2)'를 개발했다고 28일 밝혔다.

고분자 전해질막 수전해는 그린 수소 생산에 가장 적합한 차세대 유망 기술로 주목받고 있지만, 핵심 반응인 산소발생반응(OER)에서 강산성 환경과 높은 전압 조건이 필요해 촉매가 쉽게 녹아내리고(용출) 붕괴되는 문제가 발생한다. 특히 대표 촉매인 루테늄(RuO2)으 높은 활성에도 불구하고 내구성이 낮다는 한계가 존재했다.

연구팀은 촉매의 내구성을 높이기 위해 '고엔트로피 도핑(HED)'전략을 제안했다. 타이타늄, 지르코늄, 나이오븀, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐과 같은 d0 금속 원소들을 루테늄 격자 구조 내에 원자 수준으로 정밀하게 분산시켰다. 그 결과 수소 반응이 일어나는 핵심 공간이 축소되지 않으면서, 촉매 내부의 원자 배열이 뒤틀리며 구조를 단단하게 유지하는 '격자 왜곡'을 유도해 내구성을 확보했다.
연구팀은 투과전자현미경(TEM), 기하 위상 분석(GPA), X선 흡수분광(XAS)등을 활용해 국소 격자 왜곡과 결합 불균일성을 정밀 분석했다. 또 밀도범함수(DFT) 계산을 통해 고엔트로피 도핑이 산소발생반응 중 과도한 산화와 구조 붕괴를 억제함을 규명했다.

전기화학 평가 결과, HED/RuO2 촉매는 산성 조건과 실제 공정 수준의 강한 전류(100mA cm-2)에서 1200시간 이상 안정적으로 작동했다. 길어야 수십 시간 만에 용출되는 기존 루테늄 촉매에 비해 압도적인 수치다. 더불어 현재 강산성, 고전압 환경을 유일하게 버티는 고가의 이리듐 촉매에 근접하는 내구성(S-number 약 2.4x106 수준)을 보였다.


이병훈 교수는 "이번 연구는 단순히 여러 원소를 혼합하는 수준을 넘어, 원자 단위에서 결합 불균일성을 정밀 제어하는 새로운 촉매 설계 개념을 제시했다. 향후 산성 수전해뿐 아니라 다양한 에너지 변환 촉매 시스템에도 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축, 공동연구 지원 사업과 기초연구실, 우수신진연구, AEM수전해기술육성 사업 지원으로 수행했다. 연구 성과는 화학 분야 국제 저명 학술지 'Journal of the American Chemical Society(IF=16.4)' 온라인에 논문명 'Tailored bond heterogeneity through high-entropy doping for efficient acidic water oxidation'으로 5월 13일 게재됐다.