셀레늄(Se) 도입해 다중 나노튜브 구조 개발비용은 줄이고 성능·내구성은 향상국제 학술지 '스몰 사이언스'에 게재
  • ▲ 공동연구진. 왼쪽부터 고려대 이광렬 교수, KIST 유성종 박사, 성균관대 이상욱 교수(이상 교신저자), 고려대 홍용주 박사, 고려대 이은수 박사과정(이상 제1저자).ⓒ고려대
    ▲ 공동연구진. 왼쪽부터 고려대 이광렬 교수, KIST 유성종 박사, 성균관대 이상욱 교수(이상 교신저자), 고려대 홍용주 박사, 고려대 이은수 박사과정(이상 제1저자).ⓒ고려대
    고려대학교는 화학과 이광렬 교수 연구팀이 성균관대 이상욱 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀과 함께 수소 생산 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

    공동연구팀은 황(S)과 유사한 성질을 가지는 비금속 원소인 셀레늄(Se)이 도핑된 고내구성의 루테늄 인화물(Ru₂P) 기반 촉매를 개발했다.

    수전해 기술은 전기에너지를 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있어 '그린 수소' 생산 방식으로 주목받고 있다. 특히 음이온 교환막(AEM) 수전해 장치(수산화 이온(OH-)만 선택적으로 이동시키는 교환막을 사용해 물을 전기 분해하는 장치)는 차세대 혁신 기술로 떠오르고 있다. 하지만 고가의 백금족 금속 촉매를 사용해야 하는 한계가 있었다.

    이에 따라 촉매 비용 절감과 성능·내구성 향상이 중요한 과제로 대두됐다. 또한 기존의 루테늄 포스파이드(Ru₂P) 구조는 백금 대체 촉매로 주목받았으나, 빠른 성능 저하 문제로 인해 촉매 안정성 확보가 어려웠다.
  • ▲ '이온교환' 방법으로 개발한 Ru (PSe) 이종구조 나노튜브 촉매의 원소 및 결정 분석.ⓒ고려대
    ▲ '이온교환' 방법으로 개발한 Ru (PSe) 이종구조 나노튜브 촉매의 원소 및 결정 분석.ⓒ고려대
    공동연구팀은 이를 해결하기 위해 음이온인 셀레늄(Se)을 도입해 루테늄, 인(P), 셀레늄으로 구성된 다중 음이온 기반 나노튜브 구조(Ru₂PSe)를 개발했다. 이 복합 구조는 넓은 표면적을 가지며 크기가 큰 음이온을 도입해 기존 촉매보다 장기간 효율적인 수소 생산이 가능하다.

    성능평가 결과 해당 촉매는 2V 영역에서 10.31A/㎠의 전류밀도를 기록하며, 기존의 루테늄 포스파이드(Ru₂P) 촉매보다 빠른 반응 속도와 향상된 장기 내구성을 보였다.

    이 교수는 "이번 연구는 이온성 나노촉매의 활성과 안정성에서 음이온의 역할이 매우 중요하다는 점을 규명했다는 데 의미가 있다"며 "이번 연구로 고효율·저비용 촉매가 개발돼 수전해 기술의 상용화 속도가 앞당겨질 것"이라고 말했다.

    이번 연구 성과는 지난 17일 국제 학술지 '스몰 사이언스'에 게재됐다.

    이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 한국기초과학연구원의 지원을 받아 진행됐다.