▲ 층상 옥시수산화물(CoFeOOH) 촉매의 구조 변화 개략도

국내 연구진은 음이온 교환막 수전해에 최적화된 층상 구조 비귀금속 산소발생 촉매를 개발해, 고가 귀금속 의존도를 낮추면서도 고효율·고내구성을 동시에 구현할 수 있는 차세대 그린수소 생산 기술 상용화 가능성을 확대해 수소 사회 실현에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 국립창원대학교 이승화 교수 연구팀과 공동으로 음이온 교환막 수전해(AEMWE)에 적합한 층상(Layered) 구조의 비귀금속 산소 발생(OER) 촉매를 독자 설계·개발했다고 25일 밝혔다.

음이온 교환막 수전해는 알칼리 조건에서 구동돼 귀금속 대신 저렴한 비귀금속 촉매 적용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 장시간 안정적으로 작동하는 비귀금속 OER 촉매가 부족해 실제 시스템에서는 여전히 귀금속 의존도가 높았다. 기존 전이금속 기반 촉매 역시 구조 붕괴와 금속 용출 등으로 내구성 확보에 한계가 있었다.

연구팀은 코발트(Co)·철(Fe) 기반 옥시수산화물(CoFeOOH)을 층상 구조로 정밀 설계하고, 촉매 표면의 전자 구조와 반응 경로를 동시에 제어하는 전략을 도입했다. 철 도입을 통해 코발트 중심의 전자 상태를 조절하고, 산소 발생 반응의 핵심 단계인 반응 중간체 흡착·탈착 과정의 에너지 장벽을 낮췄다.

그 결과 낮은 과전압에서 높은 전류 밀도를 구현했으며, 장시간 운전 조건에서도 구조 붕괴 없이 안정적인 성능을 유지했다. 또한 철 도핑 과정에서 발생할 수 있는 부식과 구조 열화를 억제하기 위해 촉매 표면 화학적 산화 기술을 적용, 알칼리 환경에 적합한 안정적 표면 구조를 구현했다.

개발된 촉매는 음이온 교환막 수전해 단위 셀에 직접 적용해 실제 시스템 조건에서 성능과 내구성을 검증했다. 이는 비귀금속 OER 촉매의 실질적 적용 가능성을 확인한 성과로 평가된다.

연구책임자인 KIMS 최승목 책임연구원은 “비귀금속 촉매의 한계를 구조 설계를 통해 극복한 사례”라며 “그린수소 생산 기술 상용화를 앞당기는 데 기여하겠다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 ‘H2 NEXT ROUND’와 KIMS 기본사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ACS Nano(IF 16.1)에 12월 1일자 온라인 게재됐다.