반도체 기술 활용해 수소 생산 효율 높였다 (김동훈 박사)
2023.09.25
반도체 기술을 수소 생산에 접목해 생산 효율을 높이는 기술이 나왔다.
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 정연식 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 김진영 책임연구원, 김동훈 KIST 선임연구원이 공동으로 반도체 기술을 접목한 고효율·고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
'전자 저장소'를 가진 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매의 모습. 이리듐(Ir) 촉매가 반응 도중 잃어버리는 전자를 산화물 반도체로부터 지속적으로 보충받는 새로운 원리를 구현했다./KAIST
고순도 그린 수소를 생산하기 위해서는 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성상 효율과 수명이 저하되는 고질적인 문제가 있다.
공동 연구팀은 반도체 기술을 활용해 문제를 해결했다. 초미세 패턴을 적층해 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 기술을 활용했다. 주석 산화물의 표면에 전자 저장소 역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용했다.
이렇게 만들어진 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해주게 된다. 촉매의 수소 생산 효율이 떨어지지 않는 방법을 찾은 것이다.
연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성했다고 밝혔다.
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 설명했다.
이번 연구 결과는 지난 5일 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다.
참고자료
Nature Communications, DOI : https://www.nature.com/articles/s41467-023-41102-2
