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Nikkei Electronics_21.5 특집기사 요약 (p16~17)

수소의 전기 분해용 신 촉매 발견
교토대, 재료비 1/10로 높은 내구성 실현

제로 카본 시대를 대비해 수소 활용에 이목이 집중되고 있다. 제로 카본 시대에서 중요한 기술은 재생 가능 에너지 전력으로 물에서 수소를 추출하는 수전해다. 그러나 현재는 수전해의 핵심인 촉매에 과제가 있다. 그것은 촉매가 고비용인데다 애노드(산소 발생 전극)가 용출하면서 성능 저하를 초래하는 등의 내구성 문제다. 이러한 과제를 해결하는 가능성 있는 촉매를 발견했다.

교토대학 대학원이학연구과 기타가와(北川) 교수 연구팀이 개발한 Ru-Ir(Ruthenium-Iridium) 합금 촉매가 그것이다. 상당히 고가인 기존의 Ir 단체의 애노드 촉매와 비교해 재료비를 약 1/10로 억제할 수 있다. 내구성도 기존 촉매를 웃돌기 때문에 촉매를 교환하는 빈도가 줄어 러닝 코스트 저감도 기대할 수 있다고 한다. 또한 수소의 제조 효율도 기존 촉매보다 높다.

이 합금은 수전해 방식의 하나인 고체고분자막(PEM：Polymer Electrolyte Membrane) 수전해의 촉매로서 사용한다. PEM 수전해의 촉매는 지금까지 일반적으로 캐소드에 Pt(백금), 애노드에 Ir을 사용해 왔다. 신 촉매는 캐소드에도 사용할 수 있다고 한다.

경제산업성이 책정한 ‘수소기본전략’에서 수소 비용(플랜트 인도 비용)의 달성 목표는 2030년에서 30엔/N㎥(N㎥는 표준상태(0℃, 1기압)로 환산한 1㎥의 기체). 현재 수소 비용은 약 100엔/N㎥이다. 이번 신 촉매의 발견은 목표 달성에 공헌하는 기술이라고 할 수 있다.

-- 수소 발생 효율도 향상 --
개발한 Ru-Ir 합금은 Ru 원자 94%, Ir 원자 6%의 몰비(Molar Ratio)로 합금화한 것이다. Ir의 g당 가격은 약 1만 7,000엔/g이지만 Ru는 약 1,300엔/g(둘 다 21년 2월 평균)이다. 같은 물질량의 촉매를 만드는 재료비는 단순 계산으로 Ir의 약 1/10이 된다.

가격만 저렴한 것이 아니라 내구성도 뛰어나다. “기존의 Ir 촉매는 다른 백금족원소(PGM)와 비교해 내구성이 높았다. 그러나 신 촉매 Ru-Ir 합금은 그것을 웃도는 내구성을 보였다”(기타가와 씨). 구체적으로는 전류밀도 1mA/㎠를 유지하며 수전해를 계속 실행한 결과, Ir은 약 12시간에 용출해 버렸지만 Ru-Ir 합금은 용출까지 약 122시간 견뎠다고 한다.

이 촉매의 또 다른 특징은 ‘과전압’이 작아 적은 전력으로 효율적으로 반응한다는 점이다. 물의 전기분해는, 반응 개시점인 ‘이론분해전압’보다도 실제로는 높은 전위를 필요로 한다. 이 차이를 나타내는 과전압이 Ru-Ir 합금의 경우는 작은 것이다. 각 촉매의 과전압 측정 결과에 따르면, 전류밀도 10mA/㎠의 시점에서 Ru-Ir 합금은 165mV로 Ir의 370mV의 절반 이하가 된다. 즉, 동량의 수소를 추출할 때 낭비되는 여분의 에너지를 절반 이하로 억제할 수 있다.

-- 이례적인 높은 내구성은 결정 구조에서 유래 --
실은 Ru를 기재(基材)로 한 촉매에서, 2번째로 제시한 특징인 높은 내구성을 보이는 것은 전례가 없다고 한다. 본래 Ru는 저가에 고활성이지만 산성 용액으로 용출되기 쉽기 때문에 지금까지 애노드에 부적합하다고 여겨왔다.

Ru 기재의 촉매로서는 이례적인 높은 내구성을 보이는 원리는 그 결정 구조에 유래한다. 이 Ru-Ir 합금은 각 결정에 Ru와 Ir의 원자가 랜덤하게 배치되는 ‘고용체’이며, 육각기둥 모양의 ‘육방밀집구조(Hexagonal Close-Packed Structure)’를 취한다. 포인트는 밀집 면인 육각형의 면이 두께 3nm의 나노시트를 형성하는 데 있다. 즉, 가장 고밀도로 원자가 늘어선 면이 용액에 노출되기 때문에 용출이 어렵다. 나노시트가 모여 산호초와 같은 구조를 하기 때문에 ‘나노 코랄’ 구조라고 부른다.

과전압이 내려간 이유에 대해서는 “이론 계산을 하고 있지만 불분명하다”(기타가와 씨). 단, “Ir 단체, Ru 단체보다도 양호한 결과가 나왔다. Ru 속에 Ir이 미량 혼입됨으로써 표면의 전자 상태가 바뀌었다. 그 것이 적어도 관계가 있을 것이다”(기타카와 씨).

앞으로는 Ru와 Ir 이외의 제3원소, 제4원소를 첨가해, 가일층의 저가격화와 내구성 향상을 목표한다고 한다.

 -- 끝 --

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