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KAIST, 초고효율 수소생산 촉매 소재 개발
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KAIST, 초고효율 수소생산 촉매 소재 개발
  • 새교육정보
  • 승인 2020.10.08 18:11
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성냥개비 탑 형상의 3차원 수소 촉매 및 성능© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST 신소재공학과 정연식 교수 연구팀이 수소 생산에 사용되는 기존 촉매 대비 20배 이상 효율을 더 높인 신개념 3차원 나노촉매 소재 기술 개발에 성공했습니다.

8일 KAIST에 따르면 수소 경제 현실화를 위해서는 수소를 저렴하게 생산하는 문제가 핵심 과제 중 하나입니다.

이중에서도 `고분자 전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)' 방식은 태양전지 또는 잉여 전기에너지를 이용해 물을 전기분해함으로써 친환경적으로 순도가 높은 수소를 생산하는 차세대 유망 기술입니다.

KAIST 기계공학과 김형수 교수, KIST 박현서 박사, 연세대 안현서 교수 등 공동연구팀은 전기분해 장치의 양극에 사용되는 고가의 이리듐(Ir) 촉매 사용량을 획기적으로 감축할 수 있는 새로운 개념의 3차원 촉매소재 기술을 개발하는데 성공했습니다.

이리듐 촉매는 금 수준으로 매우 고가이므로 고분자 전해질막 수전해 장치 상용화를 위해서는 사용량 감축은 물론 효율을 대폭 개선할 필요가 있습니다.

연구팀은 3차원 프린팅과 유사한 원리인 초미세 전사프린팅 적층 기술을 활용해 `성냥개비 탑(Woodpile)' 형상의 3차원 이리듐 촉매 구조를 인쇄 방식으로 제작하는 기술을 개발했습니다.

무작위적 형상과 배열을 가지는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리 3차원 촉매는 규칙적 구조를 지니고 있기 때문에 촉매 표면에서 생성된 가스 버블(bubble)이 효율적으로 잘 빠져나오는 특징을 갖습니다.

 

 

(왼쪽부터) KAIST 정연식 교수, KIST 김진영 박사, KAIST 김예지 석사(현 MIT 박사과정)© 뉴스1

 

 

공동 연구팀 관계자는 결과적으로 3차원 촉매의 경우 높은 활성도를 유지한다고 설명했습니다.

성냥개비 탑 형상의 3차원 촉매를 사용하게 되면 훨씬 더 적은 양의 이리듐을 사용하고도 전기분해 장치의 성능을 더 높게 구현할 수 있습니다.

이리듐 질량 당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상의 높은 효율을 보일 정도의 획기적인 기술로 전문가들은 평가하고 있습니다.

이번 연구결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스' 10월1일자 온라인판에 게재됐습니다.

KAIST 정연식 교수는 "연구팀이 개발한 3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 주로 의존하던 기존 기술의 패러다임을 뒤집은 것”이라며 “향후 이산화탄소 전환, 배기가스 감축 등 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 강조했습니다.


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