박세규 교수 연구팀(화학공학과)

귀금속 저감 고분자 전해질 수전해 전지(PEMWE) 성능 향상 

및 열화 현상 규명

- 전기도금법 기반 산소발생 반응용 촉매인 이리듐 산화물(IrOx)이 증착된 다공성 티타늄 기재(Ti felt) 전극 개발 -

- 낮은 귀금속(이리듐) 사용량 기반에서 나타나는 수전해 전지(PEMWE)의 성능 거동 및 열화 과정에 대한 규명 -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 스몰 스트럭쳐(Small Structures)에 논문 (IF:15.9) 게재 및 커버지 선정 -

본교 박세규 교수 연구팀(화학공학과)은 그린 수소 생산을 위한 고분자 전해질 수전해 전지에 적용되는 물의 전기분해 반응성 및 내구성이 탁월한 다공성 촉매 전극을 포항공과대학교(POSTECH) 김용태 교수 연구팀, Rivian Automotives의 김수 박사, Pacific Northwest National Lab의 Shao 박사와의 협업 연구를 통해 개발하였다. 또한 수전해 전지 구동 시 나타나는 수소 생산 효율을 결정하는 인자와 장기 구동 시 전지의 구성품들이 열화되는 현상에 대한 규명을 진행하여 해당 결과는 추후 그린 수소 생산을 위한 물 전기분해 기술에 크게 활용될 것으로 기대된다.

<광운대 조재우 박사과정(좌)과 박세규 교수(우) 및 커버 이미지>

탄소 중립 정책에 따라 탄소 발생이 없는 친환경 에너지원 중 물의 전기분해를 통해 생산되는 그린 수소가 주목받고 있다. 현재 태양열, 풍력, 지열 등의 재생에너지를 활용하여 다양한 방식의 수전해 기법을 통해 수소를 생산하는 방식이 채택되고 있으며 그 중 생산 속도가 가장 우수한 고분자 전해질 수전해 전지(PEMWE)가 각광받고 있다. 그러나 현재 기술의 한계로 재생 에너지의 제한된 생산과 이를 수전해 전지에 적용하여 수소를 생산할 경우 기존 생산되던 그레이 및 블루 수소에 비해 생산 단가가 현저히 높다는 단점을 극복해야 한다. 특히, 높은 생산 단가에 가장 많이 기여하는 부분은 수전해 전지에 적용되는 고가의 귀금속 촉매이며 그 사용량을 최소한으로 저감하면서 동시에 높은 이용률을 구현하여 적은 사용량으로도 전기분해 효율을 향상시키며 장기간동안 구동시킬 수 있는 내구성 향상 기술이 요구된다.

현재 고분자 전해질 수전해 전지(PEMWE)에 적용되는 촉매 물질로 이리듐(Ir), 백금(Pt) 등의 고가의 귀금속이 적용된다. 이는 해당 물질의 높은 전기화학적 특성과 촉매 활성 뿐만 아니라 물의 전기분해 과정에서 발생하는 촉매 물질의 부식(Corrosion)에도 가장 안정적이기 때문이다. 이러한 제약 때문에 현재 통용되고 있는 수전해 전지에서의 귀금속 사용량은 3mg cm-2 내외를 채택하고 있다. 그러나 해당 사용량으로는 지나치게 높은 수소 생산 단가로 인해 귀금속 사용량을 저감할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

따라서 같은 물질을 활용하더라도 촉매의 특성을 극대화할 수 있도록 화학적 구조 및 특성을 제어하고 이를 전극화하여 전기분해 반응을 극대화할 수 있는 3차원 촉매 전극을 제조하는 기술이 매우 중요하다. 이에 연구팀은 전기도금법을 활용하여 저감된 귀금속 사용량(0.2mg cm-2)에서도 높은 수소 생산 속도와 장기 안정성을 구가하는 촉매 전극을 성공적으로 개발하였다. 또한 낮은 귀금속 사용량에서 나타나는 전형적인 문제인 낮은 반응 속도와 안정성에 대한 고질적인 문제에 대한 원인을 다양한 촉매전극 후처리법을 통해 규명하는데 성공하였다.

연구팀은 안정성 및 전기 전도성이 우수하며 동시에 표면적이 높은 티타늄 소재의 다공체(Ti felt)를 도입하여 촉매를 지지해줄 수 있는 기재로 사용하였으며 동시에 전기도금법을 활용하여 이리듐 산화물(IrOx) 촉매를 전착하였다. 이러한 방식을 채택함으로써 단위면적당 높은 촉매의 활성 면적을 확보하였으며 전기도금 과정에서의 변수 조절을 통해 촉매의 전착량을 조절할 수 있었다. 또한 촉매 전극 제조 이후 다양한 온도에서의 후처리 과정을 통해 발생하는 촉매의 화학적 구조 변화와 티타늄 기재간의 상호작용에 대한 규명을 통해 반응 메커니즘과 열화 현상에 대한 규명을 진행하였다.

아래 그림은 개발된 촉매 전극의 구조와 다양한 후처리 조건에 따른 화학적 구조 변화와 수전해 전지 적용에 따른 다양한 특성 변화에 대한 결과를 보여준다. 먼저 티타늄 기재상에 이리듐 산화물 촉매를 전기도금만 진행한 전극(EDIT-NT)의 경우 촉매층과 기재간 독립된 층상 구조를 이루어 기존 통상적으로 사용되던 사용량에 따른 촉매의 전기화학적 특성이 큰 변화 없이 동일하게 나타나는 것으로 나타났으며 다양한 온도(400, 600℃)의 후처리 조건에서의 전극(EDIT-400, EDIT-600)의 경우 촉매층과 기재간의 상호작용이 나타난 것을 확인하였다. 이러한 현상은 수전해 전지 구동 시 성능 결과로 직결되었다. EDIT-400의 수전해 전지 성능 및 내구성이 탁월하게 향상된 것을 확인 하였으며 이는 기재 상에 존재하는 티타늄 원자가 이리듐의 격자 내로 도핑(Doping)되어 촉매층 내 존재하는 산소 원자의 전자(Electron) 부족을 유도하여 높은 촉매 활성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 안정성 측면에서도 촉매층과 기재간의 안정적인 결합면 형성으로 인해 촉매 전극의 안정성이 크게 향상된 것을 전기화학적 분석 등을 통하여 규명하였다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 주관 중견연구(물과 공기로부터 암모니아 대량생산을 위한 고효율 촉매, 확산전극, 및 상온 전기화학 흐름반응기 스택개발), 단계도약형 탄소중립기술 개발사업(건물용 차세대 고효율 연료전지 상용화를 위한 핵심원천기술 고도화), 미래소재디스커버리 사업(중간체의 흡착세기를 독립적으로 제어할 수 있는 단일금속원자 기반의 촉매소재 디스커버리) 및 교내 2023년 1학기 우수연구자지원 사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 화학공학 및 재료공학 분야 최고 수준의 세계적 학술지인 와일리(Wiley) 출판의 스몰 스트럭쳐(Small Structures, IF: 15.9)‘에 게재되었으며 2024년 1월호에 커버지로 선정되었다.

<POSTECH 김규수 박사과정(좌)과 김용태 교수(우)>

<위 순서대로, 촉매 전극 후처리에 따른 단면 구조 변화 TEM 분석, PEMWE 성능변화, 촉매층 및 기재의 화학적 구조 변화, 촉매층 격자 변화에 대한 계산화학 결과>