KAIST 연구팀, 차세대 친환경 수소 생산 기술 선도… 탄소 중립 실현 앞당긴다
KAIST 연구진이 수소 생산을 위한 수전해 셀에서 필수적으로 사용되는 백금의 사용량을 기존의 1/10 수준으로 줄이면서도 성능과 안정성을 극대화한 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이는 친환경 수소 생산의 경제성을 획기적으로 개선할 수 있는 기술로, 향후 수소 경제 활성화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
KAIST(총장 이광형)는 31일, 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀과 화학과 김형준 교수 연구팀이 공동으로 ‘자가조립원조 귀금속 동적배치’ 전략을 개발하여, 음이온 교환막 기반 수전해 셀에서 백금 사용량을 획기적으로 줄이면서도 기존 상용 촉매 대비 뛰어난 성능과 안정성을 구현했다고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 Energy & Environmental Science에 1월호에 게재됐으며, 후면 표지논문(inside back cover)으로 선정됐다.
백금 1/10 사용에도 기존 상용 촉매 능가하는 성능
기존의 수전해 셀은 물을 전기화학적으로 분해해 수소를 생산하는 기술로, 친환경 에너지 변환의 핵심 기술로 평가받고 있다. 그러나 촉매로 사용되는 백금은 가격이 매우 비싸며, 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
KAIST 연구팀은 기존 단일 원자 촉매의 한계를 극복하고, 백금 사용량을 크게 줄이면서도 높은 성능을 발휘할 수 있는 신개념 촉매 합성법을 개발했다. 연구팀이 고안한 ‘자가조립원조 귀금속 동적배치’ 전략은 1,000℃ 이상의 고온에서 귀금속이 자발적이고 선택적으로 탄화물 지지체에 단일 원자로 분해·담지되는 방식이다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매 대비 1/10 수준의 백금 사용량만으로도 5배 높은 귀금속당 수소 생산 성능을 구현했다.
특히 연구팀이 개발한 촉매는 **미국 에너지부(Department of Energy, DOE)**가 제시한 2026년 수전해 셀 성능 및 귀금속 사용량 목표치를 충족하는 유일한 음이온 교환막 기반 수전해 셀로 평가받았다.
다양한 귀금속 촉매 합성 가능… 산업적 파급력 기대
이번 연구의 핵심 기술은 백금뿐만 아니라 이리듐, 팔라듐, 로듐 등 다양한 귀금속 단일 원자 촉매에도 적용될 수 있음을 입증했다. 기존 기술과 달리, 연구팀은 촉매의 **지지체(몰리브덴 탄화물 기반)**와 귀금속 간의 상호작용을 극대화하여 귀금속당 촉매 효율을 향상시키는 데 성공했다.
또한, 개발된 촉매는 수소 생성 반응에서 높은 안정성을 보이며, 1A/cm²의 산업용 전류 밀도에서도 기존 상용 촉매보다 뛰어난 내구성을 나타냈다. 이는 향후 산업적으로 적용할 경우, 그린 수소 생산 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 기술로 평가된다.
탄소 중립 및 수소 경제 활성화 기대
KAIST 생명화학공학과 김성빈 연구교수는 “이번 연구는 수전해 셀의 원가를 크게 절감시키면서도, 다양한 귀금속 기반 촉매 공정에 적용할 수 있는 획기적인 기술”이라며, “탄소 중립 및 수소 경제 활성화에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단의 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업 및 한국슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.
KAIST 연구진이 개발한 신개념 촉매 기술이 산업 현장에서 적용될 경우, 친환경 수소 생산 비용을 크게 낮추고, 수소를 활용한 탄소 중립 실현에 한층 가까워질 것으로 기대된다.
