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연구

반도체 기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산 성공​
조회수 : 2269 등록일 : 2023-09-25 작성자 : 

(왼쪽부터) 신소재공학과 정연식 교수, 이규락 박사과정, KIST 김진영 박사, KIST 김동훈 박사

< (왼쪽부터) 신소재공학과 정연식 교수, 이규락 박사과정, KIST 김진영 박사, KIST 김동훈 박사 >

반도체 공정기술을 활용하여 세계 최고 수준의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발되어 화제다. 

우리 대학 신소재공학과 정연식 교수·KIST(원장 윤석진) 김진영 박사·김동훈 박사 공동 연구팀이 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 신개념 산화물 반도체로부터 보충받는 새로운 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 

고순도 그린 수소를 생산하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 일반적으로 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성 때문에 효율과 수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있었다.

그림 1. “전자 저장소”를 함유한 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매: “전자 저장소”의 역할을 하는 산소 이온을 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물(ATO) 표면에 고농도로 분포하도록 정밀 제어하고 그 위에 이리듐(Ir) 촉매를 형성하여 위 모식도와 같은 헤테로 구조를 이루는 형태이다. 이리듐(Ir) 촉매가 반응 도중 잃어버리는 전자를 산화물 반도체로부터 지속적으로 보충받는 새로운 원리를 구현하였다.

< 그림 1. “전자 저장소”를 함유한 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매: “전자 저장소”의 역할을 하는 산소 이온을 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물(ATO) 표면에 고농도로 분포하도록 정밀 제어하고 그 위에 이리듐(Ir) 촉매를 형성하여 위 모식도와 같은 헤테로 구조를 이루는 형태이다. 이리듐(Ir) 촉매가 반응 도중 잃어버리는 전자를 산화물 반도체로부터 지속적으로 보충받는 새로운 원리를 구현하였다. >

KAIST-KIST 공동 연구팀은 초미세 패턴을 적층하여 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하였다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 전자 저장소역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용하였다. 이 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 촉매의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지해 주게 된다. 

연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보했다.

그림 2. “전자 저장소”를 함유한 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매 성능: 제작한 수소생산 촉매를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 상용 촉매 대비 최대 75배의 성능 향상을 달성하였고, 높은 전류 밀도에서 250시간 이상 안정하게 구동하였다.

< 그림 2. “전자 저장소”를 함유한 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매 성능: 제작한 수소생산 촉매를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 상용 촉매 대비 최대 75배의 성능 향상을 달성하였고, 높은 전류 밀도에서 250시간 이상 안정하게 구동하였다. >

우리 대학 정연식 교수는 일반적으로 반도체 기술과 수소 생산은 크게 다른 분야로 여겨지지만, 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정 기술로 구현함으로써 높은 효율을 달성할 수 있었고, 이는 기술 분야 간 융합의 중요성을 잘 보여주는 연구 사례라고 덧붙였다. KIST 김진영 박사는기존 귀금속 촉매량의 1/10 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다고 언급했다. 

신소재공학과 이규락 학생, KIST 김준 박사, 홍두선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 95온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts) 

이번 연구는 산업자원통상부 에너지혁신인재양성사업, 과학기술정보통신부 미래수소원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

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