< (윗줄 왼쪽부터) 한국과학기술원 김성빈 연구교수, 전현우 박사, 박지혜 박사, 한국화학연구원 김성준 박사. (아랫줄 왼쪽부터) 한국기초과학지원연구원 문준희 박사, 건국대학교 이장용 교수, 한국과학기술원 김형준 교수, 이진우 교수 >

친환경 수소를 더 싸게 만들려면 비싼 귀금속은 덜 쓰고도 수소는 잘 만들어야 한다. 국내 연구진이 귀금속인 루테늄 원자 서너 개를 모아서 배치해 서로 힘을 합치도록 하는 촉매를 개발했다. 상용 백금 촉매의 4분의 1에 해당하는 귀금속만 쓰고도 비슷한 수소 생산 성능을 내, 그린 수소 생산 비용을 낮출 길을 열었다.

우리 대학은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 화학과 김형준 교수, 건국대학교(총장 원종필) 이장용 교수, 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 박성균) 문준희 박사 연구팀, 한국화학연구원(KRICT, 원장 신석민) 김성준 박사와 공동으로 ‘원자층 이웃체’ 구조를 적용한 고성능 수전해 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

< 원자층 이웃체 개념도 >

수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 만드는 기술이다. 태양광·풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용하면 생산 과정의 탄소 배출을 줄인 ‘그린 수소’를 얻을 수 있다. 그러나 수소를 만드는 반응을 돕는 촉매에 비싼 귀금속이 사용돼, 이를 적게 쓰면서도 성능을 유지하는 기술이 필요하다.

기존 귀금속 나노입자 촉매는 여러 원자가 덩어리로 모여 있어 안쪽에 묻힌 원자까지 반응에 참여하기 어렵다. 비싼 재료를 쓰고도 일부만 활용하는 셈이다. 이를 해결하기 위해 금속을 원자 하나씩 떨어뜨려 배치하는 ‘단일원자 촉매’가 연구돼 왔지만, 원자들이 함께 반응을 도와야 하는 경우에는 성능을 높이는 데 한계가 있었다.

연구팀은 ‘원자를 낭비 없이 쓰면서, 이웃한 원자끼리 협력하게 하자’는 방법에 주목했다. 귀금속인 루테늄(Ru) 원자 몇 개를 원자 한 층 두께로 모아서 배치한 ‘원자층 이웃체’를 만든 것이다. 원자들이 큰 덩어리로 뭉치지 않으면서도 서로 가까이에서 반응을 돕도록 설계했다.

< 원자층 이웃체의 합성 원리와 크기 조절. (개념도 제작에 AI활용) >

루테늄 원자들이 모여서 놓인 구조를 유지하려면 원자를 받쳐주는 바탕 소재인 ‘지지체’가 필요하다. 연구팀은 촉매를 만드는 초기 단계에서 원자들이 큰 덩어리로 뭉치지 않도록 하고, 열처리 과정에서는 텅스텐 탄화물(WCₓ) 지지체에 단단히 붙도록 했다. 또한 함께 모이는 원자의 수를 조절해 수소를 잘 만드는 구조를 찾았다.

원자 주변에서 물이 반응하는 환경도 개선했다. 지지체 표면의 수산화종(OH)이 물 분자 사이의 연결을 강화해 수소가 더 빠르게 전달되도록 했다. 수소를 만드는 원자들의 배치와 주변 물 분자의 연결을 함께 조절해 반응이 원활하게 일어나도록 한 것이다.

개발한 촉매를 실제 수소 생산 장치인 ‘음이온 교환막 수전해 셀’에 적용한 결과, 2.0볼트(V)에서 제곱센티미터당 9.82암페어(A/cm²)의 전류밀도를 기록했다. 전류밀도는 전극 면적당 흐르는 전류의 크기로, 단위 면적에서 수소를 얼마나 빠르게 생산하는지 가늠하는 지표다. 상용 백금 촉매보다 귀금속을 75% 적게 쓰고도 비슷한 수소 생산 성능을 냈으며, 같은 무게의 귀금속이 발휘하는 촉매 성능은 약 4배 높았다.

오래 작동했을 때 성능이 얼마나 유지되는지도 확인했다. 500시간 연속 작동 시험에서 성능 저하가 비교 대상 백금 촉매의 절반 수준에 그쳤다. 적은 양의 귀금속으로도 높은 성능을 내고, 그 성능을 안정적으로 유지한 것이다.

< 루테늄 원자층 이웃체와 다기능성 지지체의 협력 작용 및 수전해 셀 성능 (AI 활용 개념도) >

이번 성과는 수소 생산 장치에 들어가는 비싼 재료를 줄이고, 촉매 교체와 유지관리 부담을 낮추는 데 도움이 될 수 있다. 앞으로 더 큰 생산 설비와 장기간 운전에서도 성능이 유지되는지 확인된다면, 그린 수소를 더 저렴하게 만드는 데 기여할 것으로 기대된다.

공동 제1저자인 김성빈 연구교수는 “이번 연구는 귀금속 원자 몇 개를 모아서 배치하고, 그 주변에서 물이 반응하는 환경도 개선해 적은 귀금속으로 수소를 잘 만들고 성능도 오래 유지하도록 한 것”이라며 “앞으로 수소 생산 장치에 들어가는 귀금속을 줄이고, 다른 촉매의 성능을 높이는 연구에도 활용되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 김성빈 연구교수, 전현우 연구원, 박지혜 연구원과 한국화학연구원 김성준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9월 22일 온라인으로 게재됐다(17권, 논문번호 11021).

※ 논문명 : Stabilizing ruthenium atom layer neighbors through molecular and metal support interactions for water electrolyzers
※ 관련 논문 원문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-026-78037-3, DOI: 10.1038/s41467-026-78037-3
※ 저자 정보 : 김성빈 (한국과학기술원, 제1 저자), 전현우 (한국과학기술원, 제1 저자), 박지혜 (한국과학기술원, 제1 저자), 김성준 (한국화학연구원, 제1 저자), 문준희 (한국기초과학지원연구원, 교신저자), 이장용 (건국대학교, 교신저자), 김형준 (한국과학기술원, 교신저자), 이진우 (한국과학기술원, 교신저자)

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구사업, 국가수소중점연구실사업 및 세종과학펠로우십사업과 한국기초과학지원연구원 주요 사업의 지원을 받아 수행됐다.
 

출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=68710