수전해용 新촉매 개발…수소 가격 절반 이하로 낮춘다

개발된 촉매를 실증하기 위한 실험 시스템/사진=재료연

국내 연구진이 물을 전기분해해 수소를 생산하는 이른바 ‘수전해 시스템’의 공정 단가를 대폭 낮출 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 이 촉매 기술이 상용화되면 현재 1kg당 7000~8000원 수준이 수소 가격을 3000원 이하까지 낮출 수 있을 전망이다. 2040년까지 이 수준까지 수소 가격을 낮추겠다는 정부의 ‘수소경제활성화로드맵’ 목표 달성이 한층 앞당겨질 것으로 보인다.

한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀은 기존 귀금속 촉매보다 저렴하면서도 활성은 1.5배 높은 ‘고효율 비귀금속 촉매’ 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.


차세대 에너지원으로 무한정 생산할 수 있고 오염물질을 생성되지 않는 수소에 대한 관심이 높다. 정부는 올해 1월 수소차·연료전지 분야에서 세계시장 점유율 1위를 달성하는 내용의 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표한 바 있다.

현재 생산되는 대부분의 수소는 석유화학 공정에서 발생하는 부생 수소 등 화석연료를 기반으로 하고 있어 진정한 의미의 청정 에너지원과는 거리가 있다.

친환경적으로 수소를 생산하는 대표적인 방법으로 남는 전기로 물을 분해해 얻는 ‘수전해 시스템’을 꼽는다. 수전해 시스템 중에서도 가장 주목받고 있는 ‘음이온 교환막 수전해’의 경우, 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있지만, 사용되는 촉매의 활성과 내구성이 낮다는 단점이 있다. 이 때문에 여전히 산소발생 촉매로 고가의 귀금속인 이리듐 산화물 또는 수소발생 촉매로 백금을 사용해야 하는 한계가 있다.


연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 저가의 고성능·고내구성을 갖춘 비귀금속인 코발트구리(CuCo) 산화물로 2차원 나노구조 촉매를 개발했다. 코발트구리 산화물 촉매의 활성은 기존 이리듐 산화물 촉매보다 1.5배 우수한 것으로 나타났다.

이와 함께 연구진은 촉매를 만들 때 수전해 시스템 전극 위에 증착되도록 합성공정을 단순화했다. 이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고, 기존 공정에 사용되는 접착제를 사용하지 않게 돼 높은 활성과 내구성을 확보했다는 설명이다.

지난 1월 정부는 2018년 기준 1kg당 7000~8000원 수준인 수소 가격을 오는 2040년까지 1kg당 3000원 이하로 낮추는 ‘수소경제활성화로드맵’ 계획을 발표한 바 있다. 최 박사는 “이번 기술이 상용화되면 정부 계획안대로 1kg당 3000원 밑으로 수소를 공급할 수 있게 될 것”이라며 “수소경제시대를 앞당기는 기폭제가 될 것”이라고 말했다.

재료연은 이번 기술에 대한 원천특허를 출원하고, 시스템 실증을 위한 후속 연구와 상용화를 위한 기술이전을 진행 중이다. 이번 연구성과는 국제학술지 '미국화학회(ACS) 어플라이드 머티리얼스 앤 인터페이시스'와 'ACS 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링'에 각각 표지논문으로 게재됐다.