저가 금속 기반 촉매로도 높은 수전해 성능을 구현, 친환경 수소 생산에 활용 기대

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료연구센터 박다희 박사 연구팀은 기존 몰리브덴 산화물(MoOx)의 일부를 철(Fe)로 바꾸어 끼우는 ‘치환’ 기술을 활용해 알칼라인 수전해의 핵심 반응인 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 성능을 크게 향상하는 데 성공했다. 이번 연구는 저렴한 금속으로도 귀금속 못지않은 성능과 안정성을 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

수소는 탄소 배출이 없는 청정 에너지원으로, 물을 전기 분해해 수소를 만드는 ‘수전해’는 차세대 친환경 에너지 기술로 꼽힌다. 하지만 수전해 과정에서 발생하는 산소 발생 반응(OER)은 속도가 느리고 높은 에너지가 필요해 전체 효율을 낮추는 원인이 된다. 특히 고성능 촉매로 사용되는 귀금속 촉매는 가격이 높고 자원이 제한적이어서 그동안 이를 대체할 비귀금속 촉매 개발의 필요성이 꾸준히 제기됐다.

이에 귀금속보다 구하기 쉽고 저렴한 몰리브덴(Mo) 기반 산화물이 주목받아 왔다. 몰리브덴은 전자의 흐름을 정밀하게 조절하기 유리한 성질을 가지고 있어 촉매의 활성을 높일 잠재력이 크지만, 전기전도성이 낮고 실제 반응이 일어나는 지점인 ‘활성 사이트’가 부족해 성능 향상에 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 몰리브덴 산화물(MoOx) 구조 속에 철(Fe)을 집어넣어 원자들의 배열 상태와 산소가 빠져나간 빈자리를 동시에 제어하는 새로운 촉매 설계 방법을 도입했다. 원자 배열이 적절하게 뒤섞이고 산소 빈자리가 생겨야 전자가 더 잘 흐르고 반응 지점이 많아지기 때문이다.

연구팀은 에어로졸 분무 열분해법(Aerosol-Assisted Spray Pyrolysis)을 활용해 단일 공정으로 철(Fe) 치환 몰리브덴 산화물(MoOx) 촉매를 만들어냈으며, 이 과정에서 형성된 철-산소-몰리브덴(Fe–O–Mo) 이종 결합 구조는 촉매 구조를 튼튼하고, 안정되게 만들어 장시간 사용해도 성능이 떨어지지 않도록 돕는다.

또한 연구팀은 열처리 조건을 조절해 촉매 내부의 미세한 격자 왜곡(lattice distortion)과 산소 빈자리(oxygen vacancy)를 정밀하게 제어했으며, 그 결과 코어–쉘(core–shell) 및 요크–쉘(yolk–shell) 구조처럼 내부에 빈 공간이 있는 특이한 입자 구조를 형성했다. 이러한 구조는 물과 맞닿는 면적을 넓혀 촉매 표면의 반응 지점을 늘리고, 전기전도성을 높이는 역할을 한다. 특히 촉매 내부의 격자 산소가 반응에 직접 참여하는 격자 산소 반응 메커니즘(Lattice Oxygen Mechanism, LOM)이 활성화되면서 산소 발생 반응이 더욱 효율적으로 진행되는 것으로 확인했다. 그 결과 100mA/㎠의 높은 전류 밀도에서도 약 294mV의 낮은 과전압으로 100시간 이상의 장시간 안정적인 사용이 가능한 고성능 촉매 구현에 성공했다.

이번 기술은 탄소중립 시대의 친환경 수소 생산에 필요한 상용 수전해 촉매로 자리 잡을 수 있다. 특히 알칼라인 수전해 시스템에 적용될 경우 대규모 수소 생산 공정의 효율을 높이는 핵심 소재로 활용될 것으로 기대된다. 또한 값비싼 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 기술로, 수소 생산 비용 절감과 청정에너지 기반 확대에도 기여할 것으로 전망된다.

연구책임자인 KIMS 박다희 선임연구원은 “이번 연구는 저렴한 금속의 원자 구조와 결함을 동시에 조절해 촉매 성능을 극대화한 사례”라며 “앞으로 이번 촉매 설계 전략을 다양한 전기화학 에너지 변환 반응에 적용해 차세대 친환경 에너지 기술로 확장해 나가겠다”고 말했다.