- UNIST, 네오디뮴 첨가해 망간 촉매 성능·내구성 높여

- 1000시간 이상 안정 작동, 그린수소 생산비 절감 기대

망간을 사용한 수전해 촉매(AI 생성 이미지).[UNIST 제공]
망간을 사용한 수전해 촉매(AI 생성 이미지).[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 값비싼 희귀금속 이리듐을 대신해 매장량이 풍부한 망간으로 그린수소를 생산할 수 있는 고성능 수전해 촉매가 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원)는 에너지화학공학과 류정기·이준희 교수 연구팀이 망간 산화물에 희토류 원소인 네오디뮴(Nd)을 첨가해 반응 성능과 내구성을 크게 높인 산소 발생 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해는 전기로 물을 수소와 산소로 분해해 그린수소를 생산하는 기술이다. 특히 고순도 수소 생산에 유리한 양성자교환막(PEM) 수전해는 강한 산성 환경에서도 견디는 촉매가 필요하다. 현재는 성능과 내구성이 뛰어난 이리듐이 주로 사용되지만 가격이 비싸고 매장량도 적어 대규모 보급의 걸림돌로 꼽힌다.

연구팀은 대안으로 자연계에 풍부한 망간에 주목했다. 식물이 광합성 과정에서 물을 분해해 산소를 만들 때도 망간 성분의 촉매를 이용한다. 하지만 망간은 산성 환경에서 쉽게 녹거나 구조가 무너지는 문제가 있어 실제 수전해 촉매로 활용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 망간 산화물에 네오디뮴을 넣어 이 같은 약점을 해결했다. 개발한 촉매는 강산성 용액에서 전극 면적 1㎠당 200밀리암페어(mA)의 전류를 흘리는 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 네오디뮴을 넣지 않은 촉매가 약 300시간 이후 급격히 성능이 떨어진 것과 대조적이다.

이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 류정기(왼쪽부터), 이준희 교수, 김현구 연구원.[UNIST 제공]
이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 류정기(왼쪽부터), 이준희 교수, 김현구 연구원.[UNIST 제공]

같은 양의 산소를 발생시키는 데 필요한 추가 전압도 낮아 에너지 효율을 높였다. 실제 수전해 장치에 적용한 시험에서도 1㎠당 100mA 조건에서 600시간 이상 안정적인 성능을 유지했다.

핵심은 네오디뮴이 망간의 전자 상태와 구조를 동시에 안정화한다는 점이다. 망간은 3가 이온(Mn³⁺) 상태에서 산소 발생 반응을 효과적으로 촉진하지만 산성 환경에서는 2가와 4가로 변하기 쉽다. 특히 2가 망간은 전해액에 녹아 나오면서 촉매의 성능과 수명을 떨어뜨린다.

네오디뮴은 주변 망간에 전자를 공급하고 결합 상태를 조절해 반응에 유리한 3가 상태가 유지되도록 했다. 이 과정에서 3가 망간을 포함한 산화망간(Mn₂O₃) 영역은 산소 발생 반응을 촉진하고, 이산화망간(MnO₂) 영역은 산성 환경에서 촉매 구조를 안정적으로 지탱했다. 연구팀은 이론 계산을 통해 전자 공급과 원자 간 결합 강화 효과도 확인했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 9월 11일 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com