한국재료연구원(이하 재료연)이 산업 현장에서 발생하는 폐알칼리수를 정제 과정 없이 직접 활용해 청정수소를 생산할 수 있는 고내구성 비귀금속 촉매 개발에 성공했다.

에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀은 상용화가 가능한 64㎠ 대면적 단위전지에 이 촉매를 적용해 2000시간 이상 연속 운전에도 5% 미만의 열화율로 고효율 수소 생산을 구현했다고 12일 밝혔다.

반도체 산업과 금속 에칭·세정 공정에서 대량 발생하는 폐알칼리수는 처리 비용과 환경 오염 위험 때문에 재활용 비용이 높은 상황이다. 음이온 교환막 수전해는 폐알칼리수를 별도 처리 없이 직접 사용하기 적합하지만, 불순물 이온이 수전해 반응을 방해해 수소 생산 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 니켈-세륨 산화물 계면이 폐알칼리수의 불순물 이온과 약하게 결합한다는 점을 발견했다.

부경대 서민호 교수 연구팀과 DFT 계산을 통한 공동 연구로 이론적 근거를 확보하고, 건국대 이장용 교수 연구팀과 함께 불순물 환경에서도 내구성이 뛰어난 음이온 교환막을 개발했다.

개발된 촉매는 니켈과 세륨 산화물을 기반으로 한 이종 구조의 비귀금속 촉매로, 폐알칼리수를 복잡한 정제 과정 없이 바로 수전해 시스템에 적용할 수 있다. 이를 통해 수소 생산 비용 절감과 환경 오염 문제 해결이라는 기술적 돌파구를 마련했다.

기존 담수 기반 수전해 시스템은 수소 1톤 생산을 위해 약 18톤의 원수를 정제해 9톤의 초순수를 만들어야 하며 물 정제 비용만 약 2340달러에 달한다. 반면 '직접 폐알칼리 수전해 기술'은 대량 발생하는 폐알칼리수를 정제 없이 활용해 수소생산 원가를 획기적으로 낮출 수 있다.

연구팀은 대량 생산이 쉬운 공침법으로 니켈과 세륨 산화물 기반의 이종 구조 비귀금속 촉매를 합성한 뒤, 2단 열처리 공정을 통해 최종 촉매를 확보했다. 이 과정에서 많은 산소 공공을 형성하고 전자-금속-지지체 상호 작용을 극대화해 촉매 성능과 내구성을 동시에 향상시켰다.

이 기술이 상용화되면 미래 모빌리티, 전력산업 등 핵심 부품 소재의 자립화를 앞당기고 청정수소 신시장 창출에 기여할 것으로 예상된다. 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 해수를 직접 활용하는 차세대 음이온 교환막 수전해 기술 개발도 추진하고 있다.

최승목 재료연 책임연구원은 "이번 연구를 통해 산업 현장에서 발생하는 폐알칼리수를 재활용해 수소 생산 비용을 절감하고, 폐수 운반 중에 일어날 수 있는 누출 사고도 효과적으로 방지할 수 있게 됐다"며 "비담수 기반 수전해 기술은 앞으로 청정수소 생산 분야에서 더 주목받을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 H2 NEXT ROUND, 나노·소재기술 개발사업 및 재료연 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적인 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 6월 9일 게재됐다.