[로이슈 전여송 기자] 한국연구재단은 홍익대학교 신소재공학과 이원규 교수 연구팀이 기존 수전해 방식보다 구동 전압을 약 8분의 1 수준으로 낮출 수 있는 하이드라진 보조 수전해 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 연구는 층상 백금 셀레늄 화합물(PtSe₂)에 산소 플라즈마 처리를 적용해 백금 나노클러스터와 비정질 산화층이 공존하는 구조를 형성하고, 이를 수전해 시스템의 양극과 음극에 동시에 활용하는 기술을 개발한 것이다.

수소 생산에 활용되는 기존 수전해 공정은 물을 전기분해하는 과정에서 양극의 산소 발생 반응이 느리고 많은 에너지를 필요로 해 구동 전압이 높아지는 한계가 있다.

이를 개선하기 위한 방법 중 하나가 양극의 산소 발생 반응을 하이드라진 산화반응으로 대체하는 방식이다. 하이드라진(N₂H₄)은 질소와 수소로 구성된 화합물로, 전기화학 반응을 통해 질소와 수소이온, 전자를 생성한다. 이론적으로 0V에 가까운 낮은 전압에서도 반응할 수 있어 수소 생산에 필요한 전기에너지를 줄일 수 있다.

다만 기존 백금계 촉매는 하이드라진 산화반응 과정에서 생성되는 중간체가 촉매 표면에 축적되면서 시간이 지날수록 촉매 활성이 떨어지는 문제가 있었다. 이에 따라 백금 사용 효율과 장시간 구동 안정성을 함께 확보하는 촉매 설계가 필요한 상황이었다.

연구팀은 층상 백금 셀레늄 화합물 표면에 산소 플라즈마를 조사해 비정질 산화층과 백금 나노클러스터가 공존하는 표면 이종구조를 형성했다. PtSe₂는 백금과 셀레늄이 층상으로 결합한 소재로, 얇은 층으로 분리할 수 있고 표면적이 넓은 특성을 지닌다.

연구팀에 따르면 형성된 구조에서는 백금 클러스터에서 비정질 산화층으로 전자가 이동하면서 하이드라진의 질소와 수소 사이 결합이 쉽게 끊어지고, 반응 중간체의 제거도 촉진되는 것으로 나타났다. 이를 통해 촉매 표면에 중간체가 축적되면서 발생하는 활성 저하를 줄일 수 있다는 설명이다.

연구팀은 동일한 촉매를 양극과 음극에 적용한 대칭형 하이드라진 보조 수전해 시스템을 제작해 성능을 평가했다. 그 결과 기존 산소 발생 반응 기반 수전해와 비교해 구동 전압이 약 8분의 1 수준으로 낮아졌으며, 140시간 연속 구동 후에도 성능이 유지된 것으로 확인됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 핵심연구, 우수신진연구, 기초연구실 지원사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 6일 온라인 게재됐다.

이원규 홍익대학교 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 산소 플라즈마를 이용해 하나의 PtSe₂ 표면에 두 반응을 모두 촉진하는 구조를 만들었다는 점에서 차별성이 있다”며 “수소 생산의 에너지 효율뿐 아니라 반응 중간체의 흡착으로 촉매 활성이 저하되는 다양한 전기화학 반응에도 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr