재료연구원, 고효율·고내구 '비귀금속 산소 발생 촉매' 개발

독자 층상구조 설계와 표면 화학처리 기술로

그린수소 생산 기술 상용화 가능성 커져

[창원=뉴시스]고효율·고내구 비귀금속 산소 발생 촉매를 개발한 한국재료연구원 연구팀. 앞줄 왼쪽부터 이재훈 박사과정 학생, 최승목 책임연구원, 김남인 박사과정 학생, 박기령 석사과정 학생. 뒷둘 왼쪽부터 김치호 선임연구원, 이주영 선임연구원, 박준영 석박 통합과정 학생, 진송 선임연구원, 하준석 석사과정 학생.(사진=한국재료연구원 제공) 2026.02.25. [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 환경에 최적화된 층상(Layered) 구조의 비귀금속 산소 발생 촉매를 독자적으로 설계·개발하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 KIMS 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 국립창원대학교 이승화 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 값비싼 귀금속 촉매에 대한 의존을 낮추면서 높은 효율성과 내구성까지 동시에 확보하는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

'음이온 교환막 수전해'는 알칼리 조건에서 구동되기 때문에 비싼 귀금속 대신 비교적 저렴한 비귀금속 촉매를 적용할 수 있는 구조적인 장점이 있다.

이에 따라 저비용·고안전 수소 생산 기술로 많은 주목을 받아 왔지만, 알칼리 환경에서 장시간 안정적으로 작동하는 비귀금속 산소 발생 촉매가 부족해 실제 시스템에서 여전히 귀금속 촉매에 대한 의존을 해소하지 못했다.

특히 기존 전이금속 기반 촉매는 장시간 구동할 때 구조 붕괴, 금속 용출, 활성 저하 등의 문제가 발생해 내구성 확보에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 코발트(Co)와 철(Fe) 기반의 옥시수산화물(CoFeOOH) 촉매를 층상 구조로 정밀하게 설계하고, 촉매 활성 표면의 전자 구조와 반응 경로를 동시에 제어할 수 있는 전략을 도입했다.

또 층상 구조의 옥시수산화물(CoFeOOH)에 철(Fe)을 도입해 코발트(Co) 중심의 전자 상태를 효과적으로 조절하고, 산소 발생 반응의 핵심인 ‘반응 중간체의 흡착-탈착 단계’에 대한 에너지 장벽 또한 낮추었다.

그 결과 낮은 과전압에서도 높은 전류 밀도를 구현했으며, 장시간의 운전 조건에서도 구조의 붕괴 없이 안정적인 성능을 유지할 수 있었다.

[창원=뉴시스]층상 옥시수산화물(CoFeOOH) 촉매의 구조 변화 개략도.(자료=한국재료연구원 제공) [email protected]

이와 함께 연구팀은 철(Fe) 도핑 과정에서 발생할 수 있는 촉매의 부식과 구조 붕괴를 억제하기 위해 촉매 표면의 화학적 산화를 적용하는 독자적인 기술도 개발했고, 이를 통해 알칼리 조건의 산소 발생 반응에 유리한 안정적인 촉매 표면 구조를 구현해냈다.

KIMS 공동 연구팀이 개발한 촉매는 음이온 교환막 수전해 단위 셀에 직접 적용해 실험실 수준의 반쪽 전지 평가를 넘어 실제 수전해 시스템 환경에서도 성능과 내구성을 동시에 검증했다.

이는 비귀금속 산소 발생 촉매가 음이온 교환막 수전해 시스템에 실질적으로 적용될 수 있음을 입증한 결과로, 기술 상용화 가능성을 한 단계 끌어올린 성과로 평가된다.

본 기술이 상용화되면 귀금속 사용을 최소화한 저비용·고효율 음이온 교환막 수전해 시스템 구축이 가능해, 앞으로 청정수소 생산 확대와 수전해 핵심 촉매 소재의 기술 자립에 기여할 것으로 기대된다.

연구책임자인 KIMS 최승목 책임연구원은 "이번 연구는 비귀금속 기반 촉매의 한계를 구조 설계를 통해 극복한 사례로, 음이온 교환막 수전해 기반의 그린수소 생산 기술 상용화를 앞당겨 수소사회 실현에 기여할 수 있도록 지속해서 노력하겠다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 ‘H2 NEXT ROUND’, KIMS 기본사업, 한국연구재단 기본연구, 국립창원대학교 질적우수논문 연구지원사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano, IF: 16.1)'에 2025년 12월1일 온라인 판에 게재됐다.


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