[뉴스인뉴스] 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하여 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발되어 화제다.

KAIS는 신소재공학과 정연식 교수·KIST(원장 윤석진) 김진영 박사·김동훈 박사 공동 연구팀이 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 신개념 산화물 반도체로부터 보충받는 새로운 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

고순도 그린 수소를 생산하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 일반적으로 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성 때문에 효율과 수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있었다.

KAIST-KIST 공동 연구팀은 초미세 패턴을 적층하여 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하였다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용하였다. 이 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 촉매의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지해 주게 된다.

연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보했다.

KAIST 정연식 교수는 “일반적으로 반도체 기술과 수소 생산은 크게 다른 분야로 여겨지지만, 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정 기술로 구현함으로써 높은 효율을 달성할 수 있었고, 이는 기술 분야 간 융합의 중요성을 잘 보여주는 연구 사례”라고 덧붙였다. KIST 김진영 박사는“기존 귀금속 촉매량의 1/10 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했다.

KAIST 신소재공학과 이규락 학생, KIST 김준 박사, 홍두선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월 5일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts)

이번 연구는 산업자원통상부 에너지혁신인재양성사업, 과학기술정보통신부 미래수소원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

배경

수소 에너지는 친환경적인 특성으로 인해 사람들의 많은 관심을 받고 있고, 지난 수십 년간 무탄소 수소 생산 실현을 위해 많은 연구자들이 노력을 기울여 왔다.

특히, 고분자 전해질막 수전해(PEMWE)는 우수한 에너지 효율, 생성된 수소의 순도, 높은 전류 밀도에서 작동 가능하다는 점 때문에 이를 위한 유망한 후보로 거론되었다. 그러나 PEMWE는 산소 발생 반응(OER)의 부진한 반응 속도와 산성 구동 환경 문제로 귀금속의 사용이 필수적이라는 단점 때문에 상용화가 이뤄지지 못하고 있다.

더욱이, 실제 산업 분야에서 요구하는 정도의 성능과 안정성을 충족하기 위해서는 상당한 양의 귀금속을 사용해야하기 때문에 (보통 최소 0.5 mg cm-2 이상) 경제성이 떨어진다. 이리듐(Ir) 촉매는 PEMWE 주로 사용되는 귀금속으로 특정 산화수(Ir3+)의 비율이 높으면 높을수록 높은 성능을 나타낸다고 알려져 있다.

그러나 수소발생 반응이 진행되면 진행될수록 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 일반적인 특성 때문에 효율과 수명이 현저하게 저하되는 문제를 수반한다.

따라서 본 연구에서는 일반적인 금속 산화물 반도체 소재의 조성을 정밀 제어하여 충분한 양의 전자를 지속적으로 촉매로 보충할 수 있게 하고 이를 바탕으로 성능과 내구성을 동시에 향상시키고자 하였다.

2. 연구 내용

본 연구에서는 이리듐(Ir) 촉매가 수소생산 반응 중에 잃어버리는 전자를 지속적으로 보충하기 위해“전자 저장소”를 함유하는 신개념 산화물 반도체 재료 시스템을 제안하였다. 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물(ATO) 표면에 산소 이온을 형성하면 이는 열역학적으로 안정할 뿐만 아니라 Ir 촉매로 충분한 전자를 공급할 수 있어 “전자 저장소” 역할을 수행할 최적의 물질임을 판단했다.

이를 바탕으로 ATO 표면에 산소 이온이 고농도로 분포하도록 정밀 제어하고 초미세 패턴을 구현할 수 있는 반도체 기술을 적용하여 3차원 나노구조의 산화물 지지체를 제작했다.

이에 Ir 촉매를 탑재한 후 PEMWE에 적용한 결과, 기존 Ir 상용 나노입자 촉매에 비해 약 75배 향상된 높은 질량 활성도를 달성하였고, 동시에 높은 전류 밀도에서 250시간 이상 장시간 구동하는 장기 안정성을 나타냈다.

3. 기대 효과

일반적인 산화물 반도체의 경우에는 각 물질 본연의 내재적 전자 구조가 정해져있어 제한된 전자 전달 특성을 가진다. 본 연구에서 개발한 “전자 저장소”를 함유한 신개념 산화물 반도체는 정밀 제어를 통해 표면에 산소 이온을 고농도로 분포 시켰고, 이는 일반적 산화물 반도체가 갖는 제한된 전자 전달 특성을 극복시켰다.

결과적으로 고효율, 고내구성의 수소생산 촉매를 제작할 수 있었다. 본 연구에서 활용한 이러한 전략은 안티몬이 도핑된 주석 산화물뿐만 아니라 다른 금속 산화물에서도 다수 적용 가능함을 확인했고, 더 나아가 연료 전지, 태양 전지, 광전지를 포함하여 산화물 반도체의 전자 전달 특성이 전체 소자 성능과 밀접하게 관련되어 있는 다양한 응용 분야로 확장될 수 있다.

정예원 기자 다른기사 보기