KAIST, 반도체기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산성공

KIST와 공동 연구, 3차원 네트워크 구조 산화물 반도체 기반

고효율 촉매 소재로 효율 및 높은 안정성 확보

반도체 기술과 수소 생산 기술 융합 사례, 국제학술지 게재

[대전=뉴시스] 전자 저장소를 함유한 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 반도체 기술을 활용해 초고효율로 수소를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다.

KAIST는 신소재공학과 정연식 교수팀이 KIST 김진영·김동훈 박사 공동 연구팀과 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 산화물 반도체로 보충받는 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

고순도 그린수소 생산을 위해선 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 되며 이때 주로 이리듐(Ir) 촉매를 사용하지만 이 경우 다량의 전자 보유상태를 지속해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있다.

이번에 공동연구팀은 이리듐(Ir) 촉매가 수소생산 반응 중에 잃어버리는 전자를 지속적으로 보충키 위해 '전자 저장소'를 함유하는 신개념 산화물 반도체 재료 시스템을 제시했다.

안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물(ATO) 표면에 산소 이온을 형성하면 이는 안정성이 높고 Ir 촉매로 충분한 전자를 공급할 수 있어 전자 저장소 역할을 수행할 수 있다.

이어 ATO 표면에 산소이온이 고농도로 분포토록 정밀 제어하고 초미세 패턴을 구현할 수 있는 반도체 기술을 적용, 3차원 나노구조의 산화물 지지체를 제작했다.

연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용, 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.

KAIST 신소재공학과 이규락 학생, KIST 김준·홍두선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인판에 지난 5일자로 게재됐다. 논문명 Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts

정연식 교수는 "기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정기술로 구현, 높은 효율을 달성할 수 있었다"고 말했고 KIST 김진영 박사는 "귀금속 촉매량의 10분의 1 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.


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