백금 대체할 루테늄 촉매…수소 생산 성능·안정성 모두 잡았다
||2026.07.13
백금 촉매를 대신해 알칼리 수전해의 수소 생산 효율을 높일 새로운 촉매 설계 원리가 제시됐다.
한국연구재단은 이진우 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀이 한정우 서울대 교수팀, 한국에너지공대 김우열 교수팀, 조성기 KAIST 박사팀과 공동연구를 통해 루테늄 나노클러스터 촉매의 작동 중 표면 상태와 전극-전해질 계면 물 구조를 규명하고, 이를 바탕으로 음이온 교환막 수전해의 수소 생산 성능을 크게 향상시켰다고 13일 밝혔다.
물을 전기분해해 수소를 얻는 음이온교환막 수전해 기술은 알칼리 환경에서 작동해 저렴한 셀 소재와 비귀금속 산화극 촉매를 쓸 수 있어 그린수소 생산의 핵심기술로 주목받는다. 다만 음극에서 일어나는 수소 반응은 물 분자를 먼저 쪼개 수소 중간체를 만드는 과정을 거쳐야 해 산성 조건보다 반응 속도가 느린 한계가 있다.
연구팀은 탄소 지지체 위에 루테늄을 담지하고 열처리 온도를 조절해 단일 원자, 약 1나노미터(㎚) 서브나노미터 클러스터, 더 큰 나노클러스터까지 크기가 다른 촉매군을 합성하고, 루테늄 클러스터의 크기와 원자 구조에 따라 실제 반응 중의 표면 산화상태를 비교했다.
작동 중 X선 흡수분광 분석 결과, 약 1㎚ 루테늄 나노클러스터는 환원적인 수소 발생 조건에서도 루테늄-산소(Ru-O) 결합을 포함한 부분 산화 표면을 안정적으로 유지했다. 또 작동 중 적외선 분광 분석 결과 이 표면 상태가 반응 중간체 흡착 특성과 촉매 주변 물 분자 배열에 영향을 줘 알칼리 수소 발생 반응을 촉진함을 밝혔다.
개발된 촉매는 초기 활성을 평가하는 반쪽 전지 평가에서 매우 낮은 전압만으로도 반응을 일으켰으며, 귀금속 무게당 수소 생산 활성도 100㎷에서 11.05A/mgNM로 매우 높았다.
또 상용화 환경과 유사한 단일셀 평가에서 5.34A/㎠의 높은 전류밀도를 달성하고, 실용 수준에 준하는 전류밀도인 1A/㎠에서 400시간 이상 안정적으로 작동해 실제 장치 적용 가능성을 입증했다.
이진우 교수는 “루테늄 촉매 크기와 원자 구조가 실제 작동 중 표면 산화상태와 계면 물 구조를 어떻게 바꾸는지 규명해 고성능 수전해 촉매 설계의 중요한 출발점이 됐다”며 “이번 연구에서 확인한 작동 중 표면 상태 역할은 향후 고성능 알칼리 수전해 촉매 설계와 그린수소 생산 기술 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스'에 지난달 4일 온라인 게재됐다.
이인희 기자
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