이광렬 고려대 교수-유성종 KIST 책임연구원-정유성 KAIST 교수 공동연구팀
고려대학교(총장 정진택) 화학과 이광렬 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 책임연구원팀 및 한국과학기술원(KAIST) 정유성 교수팀과 함께 수전해를 통한 친환경 그린수소 생산을 위한 획기적으로 가격이 절감된 고효율의 나노촉매를 개발했였다. 개발된 나노입자는 백금이 소량 도입된 루테늄 산화물로써, 기존 사용되고 있는 상용 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매를 뛰어넘는 고효율의 산소발생반응용 산화극 촉매다.
*수전해: 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술
*그린수소: 재생에너지로부터 얻은 전기로 물을 전기분해하여 생산하는 수전해 수소
이번 연구결과는 11월 12일 에너지 및 환경과학 분야의 세계적 학술지 ‘Energy & Environmental Science’(Impact Factor: 38.532) 온라인판에 게재됐다.
- 저자정보 : 진하늘 (제1저자, KIST), 최송아 (제1저자, 고려대학교), 방기주 (KAIST), 권태현 (KIST), 김희수 (KIST), 이수지 (KIST), 홍용주 (고려대학교), 이동욱 (KIST), 박현서 (KIST), 백현석 (KBSI), 정유성 (교신저자, KAIST), 유성종 (교신저자, KIST), 이광렬 (교신저자, 고려대학교) (총 13명)
- 논문명 : Safeguarding the RuO2 phase against lattice oxygen oxidation during acidic water electrooxidation
- 논문게재지 : Energy & Environmental Science
(2021년 11월 12일 online published, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee02636d)
수전해는 전기화학적 방법으로 물을 분해하여 그린 수소를 추출하는 기술이다. 기존의 화석연료로부터 얻는 그레이 수소는 1kg의 수소를 생산하는데 이산화탄소 10kg을 배출하는 데 반해 수전해를 통한 그린수소는 이산화탄소 배출이 없으며 친환경적이기 때문에 탄소중립 실현을 위해 효율적인 수전해 기술 개발은 필수다.
수전해 성능 향상에는 고효율 산소발생 촉매가 필수적이며, 이에 이리듐 산화물이 주로 사용되고 있다. 그러나, 이리듐은 높은 가격으로 인해 (2021년 12월 기준, 루테늄의 약 7배, 백금의 약 4배) 이를 대체할 물질의 개발이 시급하다. 루테늄 산화물은 이리듐 산화물에 비해 전기화학적 산소발생 반응에 높은 활성을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나, 루테늄 산화물은 전기화학적으로 불안정하기 때문에 실제 수전해 구동 환경에서 전해질 내에 쉽게 용출되어 사용할 수 없는 것으로 알려져 있었다.
*그레이수소: 석유화학 공정의 부산물로 얻거나 천연가스의 개질을 통해 얻는 수소
*귀금속 가격 (2021년 12월 기준): Ir(이리듐) 4500 USD/OZ, Ru(루테늄) 625 USD/OZ, Pt(백금) 950 USD/OZ
이광렬 교수팀은 루테늄 산화물 표면에 소량의 백금을 도입하고, 이를 산성 전해질의 산소발생반응용 촉매로 사용하여 높은 에너지 효율과 장시간 구동에도 안정적인 내구성을 보임을 입증했다.
연구진은 새로 개발한 루테늄 산화물 기반 나노촉매를 이용하여 고분자전해질 수전해 시스템에 적용시 2.0 V에서 상용 이리듐 산화물 촉매의 질량 대비 2.5배 이상 증가한 수전해 성능을 보였다. 현재, 고분자전해질 수전해 시스템의 산화극으로 가장 많이 사용되고 있는 상용의 이리듐 산화물 촉매는 루테늄보다 비싸고 높은 전압에서 장시간 구동 시 성능이 감소한다. 그러나 연구진이 개발한 루테늄 기반의 나노촉매는 경제적 측면에서도 상용 이리듐 산화물 촉매보다 귀금속 사용량 대비 11배 이상의 우수성을 보이며, 장시간 구동에도 안정적인 촉매 활성을 보였다.
이광렬 교수는 "산성 전해질에서 매우 불안정한 루테늄 산화물 표면에 백금을 도입시킨 전략이 기술의 핵심이다. 수전해 환경에서 전해질에 쉽게 용출되는 루테늄 물질에 상대적으로 안정한 금속의 도입을 통하여 높은 성능과 동시에 내구성이 좋은 촉매를 구현할 수 있었다”고 설명하며 “이러한 전략은 기존의 상용 촉매를 대체할 차세대 나노촉매의 발전으로 이어질 수 있을 것”이라고 기대했다.
그림 설명
a,b,e) 전이금속이 없는 백금 도핑된 루테늄 산화물 (Pt-RuO2/C), c,d,f) 산소친화성 전이금속 Co의 도움으로 백금 도핑된 루테늄 산화물 (PtCo-RuO2/C). g,h) X-선 흡수 미세구조 분석법 (EXAFS)을 통한 열적 산화 전 (PtRu/C와 PtCoRu/C)과 후 (Pt-RuO2/C와 PtCo-RuO2/C)의 원자간 결합 분석.
a) 막 전극 어셈블리 (membrane electrode assembly, MEA) 모식도 및 사진, b) 전압별 발생한 전류밀도 그래프, c) 상용 이리듐 산화물과 개발한 PtCo-RuO2/C 촉매의 질량대비 활성 그래프, d) 장시간 안정성 결과.
진하늘 박사[제1저자] 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 진하늘
○ 소 속 : 한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터
○ 전 화 : 010-3121-5336
○ e-mail : hjin@kist.re.kr
2. 학력
○ 2019 고려대학교 무기화학 박사
○ 2013 고려대학교 화학 학사
3. 경력사항
○ 2019.09~현재 KIST 수소연료전지연구센터 Postdoc
4. 전문 분야
○ 고분자 전해질 연료전지/수전해 촉매 및 전극 소재, 나노 입자 형상 및 표면제어
최송아 박사과정생[제1저자] 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 최송아
○ 소 속 : 고려대학교 이과대학 화학과
○ 전 화 : 02-3290-3609
○ e-mail : cpine27@korea.ac.kr
2. 학력
○ 2017~현재 고려대학교 화학과 박사과정
○ 2017 가톨릭대학교 화학과 학사
3. 전문 분야
○ 나노 소재 합성 및 표면 전자구조 제어
○ 고효율의 수전해용 나노 촉매 개발
○ 고효율 및 선택성 높은 질소산화물 환원반응용 나노 촉매 개발
이광렬 교수(교신저자) 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 이광렬
○ 소 속 : 고려대학교 이과대학 화학과
○ 전 화 : 02-3290-3139
○ e-mail : kylee1@korea.ac.kr
2. 학력
○ 1997 University of Illinois at Urban-Champaign (UIUC) 무기화학 박사
○ 1992 한국과학기술원 (KAIST) 학사
3. 경력사항
○ 2020.10~현재 Editorial board member, ChemNanoMat (Wiley)
○ 2020.06~현재 Associate editor, CrystEngComm (RSC)
○ 2011.09~현재 고려대학교 화학과 교수
○ 2006.09~2011.08 고려대학교 화학과 부교수
○ 2003.09~2006.08 고려대학교 화학과 조교수
○ 1998.01~2003.08 KAIST, Postdoc
○ 1997.11~1997.12 UIUC, Postdoc
4. 전문 분야
○ 나노 소재 합성 및 원자 단위의 거동제어
○ 고효율의 수전해 및 연료전지 나노 촉매 개발
○ 고활성 및 고선택성의 이산화탄소 및 질소산화물 환원반응용 나노 촉매 개발
유성종 박사(교신저자) 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 유성종
○ 소 속 : 한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터
○ 전 화 : 02-958-5260
○ e-mail : ysj@kist.re.kr
2. 학력
○ 2009 서울대학교 화학공학 박사
○ 2004 광주과학기술원 신소재공학 석사
○ 2001 인하대학교 화학공학 학사
3. 경력사항
○ 2016.03~현재 경희대학교 융합과학기술학과 학연교수
○ 2015.03~현재 고려대학교 화학공학과 겸임교수
○ 2015.03~현재 KIST School 에너지환경융합과 교수
○ 2015.03~현재 KIST 수소연료전지연구센터 책임연구원
○ 2012.04~2016.02 KIST 수소연료전지연구센터 선임연구원
○ 2009.03~2012.03 KIST Postdoc
4. 전문 분야
○ 차세대 수전해인 PEMWE용 수소/산소 발생 촉매 개발
○ 차세대 연료전지인 고체알칼리막 연료전지 (AEMFC) 연구 개발
○ 에너지 변환 촉매용 나노소재 양산공정 개발
정유성 교수(교신저자) 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 정유성
○ 소 속 : 한국과학기술원 생명화학공학과
○ 전 화 : 042-350-3920
○ e-mail : ysjn@kaist.ac.kr
2. 학력
○ 2005 UC Berkeley, Chemistry 박사
○ 2001 Iowa State University, Chemistry 석사
○ 1999 서울대학교 화학과 석사
○ 1997 서울대학교 해양학 학사
3. 경력사항
○ 2018.03 ~ 현재 KAIST 교수
○ 2012.09 ~ 2018.02 KAIST 부교수
○ 2009.03 ~ 2012.08 KAIST 조교수
○ 2010.07 ~ 2011.07 Caltech Visiting Associate
○ 2005.11 ~ 2009.02 Caltech Postdoc
4. 전문 분야
○ 디지털 화학 알고리즘 개발
○ 데이터 기반 분자 및 소재 설계
○ 에너지 및 촉매 소재 시뮬레이션
