카이스트, 수전해 기포 막힘 해결…그린수소 효율 세계 최고

2D 메조다공성 촉매층 기반 그린수소 생산 기술 [사진=AI생성 이미지]

카이스트(KAIST) 연구팀이 수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 수전해 기술을 개발했다. 기포가 촉매층을 막아 성능이 떨어지는 고질적 한계를 구조 설계로 돌파했다는 점에서 주목된다.
 
카이스트는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀, 건국대 이장용 교수 연구팀과 공동으로 수전해 촉매층 내부의 물·기체 이동 경로를 새롭게 설계해 성능과 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 28일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 줄(Joule)에 지난 22일 온라인 게재됐다.
 
수전해는 물을 전기분해해 청정 수소를 생산하는 기술이다. 탄소중립 전환이 가속화하면서 핵심 그린수소 생산 방식으로 주목받고 있지만, 반응 과정에서 발생하는 기포가 촉매층 내부에 쌓여 물과 전기의 흐름을 막는 구조적 문제가 성능 향상의 걸림돌이었다.
 

연구팀은 촉매 활성을 높이는 기존 접근 대신 '길'을 새로 뚫는 방식을 택했다. 종이처럼 얇은 2차원 메조다공성 탄소 나노시트를 활용해 물질이 막힘없이 이동하는 저굴곡 구조를 구현했다. 좁고 복잡한 골목 대신 기포가 빠르게 빠져나갈 수 있는 고속도로를 촉매층 안에 만든 셈이다. 여기에 결함이 도입된 탄소 표면에 루테늄 나노클러스터를 고정해 수소 발생 반응 속도를 높이면서도 장시간 구동 시 촉매 손상을 막는 계면 구조를 설계했다.
 
성과는 수치로 확인됐다. 80℃ 환경에서 17.1 A cm⁻²의 전류밀도를 기록하며 미국 에너지부(DOE)의 2026년 목표치를 뛰어넘었다. 귀금속 루테늄 사용량을 0.09 mgRu cm⁻² 수준으로 낮춘 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 고가의 귀금속 사용량을 줄이면서도 고성능을 유지했다는 점에서 상용화 가능성을 높였다는 평가다.
 
이진우 교수는 "촉매 자체뿐 아니라 에너지가 흐르는 길까지 함께 설계해 수전해 효율을 높인 기술"이라며 "적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.