특수 설계된 이리듐 나노구조를 메조다공성 산화탄탈륨에 증착하면 전도성, 촉매 활성 및 장기 안정성이 향상됩니다.
이미지: 한국과 미국의 연구진이 산소 발생 반응 활성이 향상된 새로운 이리듐 촉매를 개발했습니다. 이 촉매는 양성자 교환막을 이용한 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 비용 효율적인 공정을 가능하게 합니다. 더 알아보기
세계 에너지 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 이동 가능한 수소 에너지는 청정하고 지속 가능한 에너지 솔루션을 찾는 데 큰 가능성을 제시합니다. 이러한 맥락에서, 과잉 전력을 물 전기분해를 통해 이동 가능한 수소 에너지로 변환하는 양성자 교환막 수전해 장치(PEMWE)가 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 전기분해의 중요한 구성 요소인 산소 발생 반응(OER)의 느린 속도와 이리듐(Ir) 및 루테늄 산화물과 같은 고가의 금속 산화물 촉매를 전극에 과다하게 사용해야 하는 한계로 인해 수소 생산에 있어 대규모 적용이 제한적입니다. 따라서 PEMWE의 광범위한 적용을 위해서는 비용 효율적이고 고성능의 OER 촉매 개발이 필수적입니다.

최근 한국 광주과학기술원(GIST)의 박창호 교수 연구팀이 개선된 포름산 환원법을 통해 메조다공성 산화탄탈륨(Ta2O5) 기반의 새로운 이리듐 나노구조 촉매를 개발하여 PEM(양성자 교환막) 물의 효율적인 전기분해를 달성했습니다. 이 연구는 2023년 5월 20일 온라인으로 발표되었으며, 2023년 8월 15일에는 'Journal of Power Sources' 575권에 게재될 예정입니다. 한국과학기술원(KIST)의 백채경 연구원이 공동 저자로 참여했습니다.
"전자 밀도가 높은 Ir 나노구조는 에틸렌디아민 주변 공정과 결합된 연성 템플레이트 방법을 통해 제조된 안정적인 메조다공성 Ta2O5 기판에 균일하게 분산되어, 단일 PEMWE 배터리의 Ir 함량을 0.3 mg cm⁻²까지 효과적으로 감소시킵니다."라고 박 교수는 설명했습니다. 특히, Ir/Ta2O5 촉매의 혁신적인 설계는 Ir 활용도를 향상시킬 뿐만 아니라, 더 높은 전도성과 더 넓은 전기화학적 활성 표면적을 제공한다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
또한, X선 광전자 분광법과 X선 흡수 분광법은 Ir과 Ta 사이에 강한 금속-지지체 상호작용이 있음을 보여주고, 밀도 함수 이론 계산은 Ta에서 Ir로의 전하 이동을 나타내며, 이는 O 및 OH와 같은 흡착물의 강한 결합을 유발하고 OOP 산화 과정 동안 Ir(III) 비율을 유지합니다. 결과적으로 Ir/Ta2O5의 활성이 증가하여 IrO2의 0.48V에 비해 낮은 0.385V의 과전압을 나타냅니다.
연구팀은 또한 촉매의 높은 산소 발생 반응(OER) 활성을 실험적으로 입증했는데, 10 mA cm⁻²에서 288 ± 3.9 mV의 과전압과 1.55 V에서 876.1 ± 125.1 A g⁻¹의 현저히 높은 Ir 질량 활성을 관찰하여 Mr. Black의 해당 값보다 우수한 결과를 얻었습니다. 실제로 Ir/Ta₂O₅는 탁월한 OER 활성과 안정성을 보였으며, 이는 막-전극 어셈블리의 120시간 이상 단일 셀 작동을 통해 추가적으로 확인되었습니다.
제안된 방법은 부하 수준 Ir을 낮추는 동시에 OER 효율을 높이는 두 가지 이점을 가지고 있습니다. 박 교수는 "OER 효율 향상은 PEMWE 공정의 비용 효율성을 보완하여 전반적인 성능을 향상시킵니다. 이러한 성과는 PEMWE의 상용화를 혁신하고 주류 수소 생산 방식으로의 도입을 가속화할 수 있을 것입니다."라고 낙관적으로 전망했습니다.

전반적으로 이러한 발전은 지속 가능한 수소 에너지 운송 솔루션을 달성하고 궁극적으로 탄소 중립을 이루는 데 한 걸음 더 다가서게 해줍니다.
광주과학기술원(GIST) 소개 광주과학기술원(GIST)은 대한민국 광주에 위치한 연구 중심 대학입니다. 1993년에 설립된 GIST는 대한민국에서 가장 명망 있는 대학 중 하나로 자리매김했습니다. GIST는 과학기술 발전을 촉진하고 국내외 연구 협력을 증진하는 강력한 연구 환경 조성에 전념하고 있습니다. "미래 과학기술의 자랑스러운 주역"이라는 이념을 바탕으로 GIST는 꾸준히 대한민국 최고 대학 순위에 이름을 올리고 있습니다.
저자 소개 박창호 박사는 2016년 8월부터 광주과학기술원(GIST) 교수로 재직 중입니다. GIST 부임 전에는 삼성 SDI 부사장을 역임했으며, 삼성전자 국가과학기술정보연구원(SAIT)에서 석사 학위를 받았습니다. 1990년, 1992년, 1995년에는 한국과학기술연구원(KIST) 화학과에서 각각 학사, 석사, 박사 학위를 취득했습니다. 현재 나노구조 탄소 및 혼합 금속 산화물 지지체를 이용한 연료전지 및 전기분해용 막전극 어셈블리 촉매 소재 개발 연구에 주력하고 있습니다. 126편의 논문을 발표했으며, 해당 분야에서 227건의 특허를 보유하고 있습니다.
백채경 박사는 한국과학기술연구원(KIST)의 연구원입니다. 그는 PEMWE OER 및 MEA 촉매 개발에 참여하고 있으며, 현재는 암모니아 산화 반응용 촉매 및 장치에 집중하고 있습니다. 2023년 한국과학기술연구원에 합류하기 전, 백채경 박사는 광주과학기술원에서 에너지 통합 분야 박사 학위를 받았습니다.
전자 밀도가 높은 Ta2O5로 지지된 메조다공성 이라이드 나노구조는 산소 발생 반응의 활성과 안정성을 향상시킬 수 있다.
저자들은 본 논문에 제시된 연구 결과에 영향을 미칠 수 있는 어떠한 경쟁적인 재정적 이해관계나 개인적 관계도 없음을 밝힙니다.
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