UNIST, 사우디 KAUST와 수소 대량생산 촉매 전극 개발

UNIST는 7일 사우디아라비아와 공동으로 롤투롤 공정 기반으로 수소를 대량 생산할 수 있는 촉매 전극을 개발했다고 발표했다. 기술 개발은 UNIST 채한기 신소재공학과 교수 및 백종범 에너지화학공학과 교수, 자페르 야부즈 사우디 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 교수가 공동으로 진행했다. 연구팀은 루테늄 촉매가 들어간 탄소섬유 전극(Ru-EFEC)을 연속 공정으로 제조하는데 성공했다. 루테늄은 수소를 얻기 위한 물 분해 과정에서 전기화학적 활성과 내구성이 뛰어나고, 효율이 좋아 수전해 촉매로 많이 이용된다. 연구팀은 탄소섬유 원료인 폴리아크릴로니트릴(PAN) 고분자 용액과 루테늄 착화합물 사이 상호작용을 분석하고, 금속 성분이 들어가면 용액이 쉽게 굳거나 흐름이 불안정해지는 문제를 유변학적으로 제어하는 방법으로 해결했다. 걸죽해진 고분자 상태에서 촉매 원료를 실처럼 뽑아냈다는 의미다. 촉매 성분이 고르게 섞인 고농도 고분자 용액을 만들고, 별도 코어-쉘 구조 없이도 단일 공정으로 연속 습식 방사할 수 있는 조건을 확보한 것. 탄소섬유를 먼저 만든 뒤 촉매를 표면에 입히는 것이 아니라, 촉매 성분을 섬유 원료에 처음부터 넣어 함께 뽑아내는 방식이다. 연구팀은 완성된 섬유형 전극은 10mA cm⁻²의 전류밀도를 내는 데 필요한 추가 전압이 63mV에 불과했다. 500mA cm⁻²의 높은 전류 조건에서도 170시간 동안 형태를 유지하며 작동했다. 또한 일부 촉매를 가루 형태로 만들어 상용 백금/탄소 촉매와 비교한 반복 시험에서도 성능 변화가 거의 없는 등 촉매 내구성도 확인했다. 채한기 교수는 “이번 기술은 금속 촉매를 탄소섬유 안에 균일하게 넣어 전극의 구조적 안정성을 높인 것이 특징”이라며 “수전해 전극뿐 아니라 안정성과 균일한 반응성이 중요한 다양한 촉매 분야로도 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.