반도체 기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산
반도체 기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산
  • 함예솔
  • 승인 2023.09.26 02:34
  • 조회수 1637
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3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하여 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발됐습니다.

 

KAIST는 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 밝혔는데요.

 

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

 

KAIST-KIST 공동 연구팀은 초미세 패턴을 적층하여 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용했습니다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용했습니다. 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 됩니다. 

“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. 출처 : KAIST
“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. 출처 : KAIST

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 확보했습니다. 

 

KAIST 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 사례”라고 덧붙였습니다. KIST 김진영 박사는“기존 귀금속 촉매량의 1/10 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했습니다. 

 

연구 결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월 5일 字 온라인판에 게재됐습니다.

논문명: Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts


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