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성냥개비 탑 모양 고효율 촉매 소재 기술 개발

KAIST·KIST 공동연구팀, 초미세 프린팅 원리 적용
기존 나노입자 상용 촉매와 비교해 20배 이상 고효율

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[월간수소경제 성재경 기자] 한국과학기술원(KAIST) 정연식 교수·한국과학기술연구원(KIST) 김진영 박사 공동 연구팀이 차세대 에너지원인 수소 생산에 필요한 고효율의 나노촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.


최근 재생에너지의 잉여전력을 활용한 물 전기분해로, 고순도 수소를 생산하는 고분자전해질막(PEM; polymer electrolyte membrane) 수전해 기술이 주목받고 있다.


다만 이 기술은 촉매에 고가의 귀금속을 사용한다. 수소경제 활성화를 위해서는 수전해 시스템의 생산 비용을 낮추는 것이 관건이다.


연구팀은 PEM 수전해의 전기분해 장치 양극에 들어가는 값비싼 이리듐(Ir) 촉매 사용량을 크게 줄일 수 있는 신개념의 3차원 촉매 소재 기술을 개발하는 데 성공했다. 이리듐의 매장량은 백금의 10분의 1에 불과하다.


3차원 프린팅과 비슷한 원리인 초미세 전사프린팅 적층 기술을 적용, 3차원 이리듐 촉매 구조를 성냥개비 탑(woodpile) 모양의 인쇄 방식으로 제작했다.


무작위 배열의 기존 이리듐 촉매와 달리 규칙적인 구조를 지녀 촉매 표면에 생성된 기체가 잘 빠져나와 높은 활성을 유지할 수 있다.


이리듐 질량당 촉매 효율이 기존 촉매보다 20배 이상 높은 것으로 나타나, 훨씬 적은 양의 이리듐을 쓰면서도 전기분해 장치의 성능을 높일 수 있다.


KAIST 정연식 교수는 “3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 주로 의존하던 기존 기술의 패러다임을 뒤집은 것”이라며 “향후 이산화탄소 전환, 배기가스 감축 등 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.


KAIST 신소재공학과 석사과정 졸업생이면서 미국 MIT 박사과정에 재학 중인 김예지 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 지난 10월 1일자 온라인판에 실렸다.





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