[월간수소경제 성재경 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀이 PEM(고분자전해질막) 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발했다. 

다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리, 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다.

일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있다. 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성과 생산효율을 높이기 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm²가량 코팅해 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1~2mg/cm²의 이리듐 촉매를 코팅한다.

이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 가격이 매우 비싸다.

연구팀은 수전해 장치의 경제성을 높이기 위해 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe₂N)로 대체했다.

이를 위해 먼저 전극 위에 전기전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또 질화철 보호층에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매 사용량을 0.1mg/cm² 이하로 줄였다.

개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치와 유사한 성능을 유지했으며, 100시간 이상 운전해 초기 안정성도 검증했다.

KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 10% 수준으로 낮추고, 백금 보호층 대체물질을 개발하는 것은 PEM 수전해의 경제성과 보급 확대를 위해 꼭 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하겠다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 과학저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ 최신호에 온라인 게재됐다.