전기 촉매 및 그 제조 방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 물 전기분해, 금속-공기 배터리 등 미래 에너지 기술의 핵심인 산소 발생 반응(OER)에는 효율적인 전기 촉매가 필수적입니다.

• 기존에 사용되던 이리듐(IrO₂) 및 루테늄(RuO₂) 기반의 귀금속 촉매는 높은 비용과 낮은 안정성 문제로 인해 광범위한 상용화에 한계가 있습니다.

기술의 필요성

• 따라서 귀금속을 대체하면서도 우수한 성능과 높은 안정성을 갖춘 새로운 전기 촉매 개발이 시급한 과제입니다.

• 본 기술은 저비용 원소를 기반으로 하는 고성능 전기 촉매와 그 제조 방법을 제공하여, 그린수소 생산 등 차세대 에너지 기술의 경제성을 확보하는 것을 목표로 합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 2차원(2D) 형태의 다중금속 산화물 나노시트를 전기 촉매로 사용합니다.

• 특히, 5개 이상의 금속 원소(Cr, Fe, Co, Ni, Mo)를 포함하는 고엔트로피 스피넬 산화물((CrFeCoNiMo)₃O₄) 구조를 형성하여 촉매의 열역학적 안정성과 산소 발생 반응 활성을 극대화합니다.

• 고원자가 상태의 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)을 포함시켜 다른 금속 사이트의 전자 구조를 조절하고, 이를 통해 촉매의 고유 활성을 향상시킵니다.

구체적인 구현 방법

본 기술의 전기 촉매는 '희생 템플릿' 방식을 통해 간단하게 제조할 수 있습니다.

1. 희생 나노시트 용액 형성: 산화 그래핀(GO) 나노시트를 물에 분산시켜 희생 템플릿 용액을 만듭니다.

2. 금속 전구체 용액 혼합: 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)의 금속 전구체 용액을 제조하여 희생 템플릿 용액과 혼합합니다. 음전하를 띤 산화 그래핀 표면에 양전하의 금속 이온들이 균일하게 부착됩니다.

3. 복합체 형성 및 건조: 금속 이온이 로딩된 복합체(M/GO)를 동결 건조하여 수집합니다.

4. 희생 나노시트 제거: 건조된 복합체를 400℃에서 열처리(어닐링)하여 산화 그래핀 템플릿을 제거하면, 최종적으로 다중금속 산화물 나노시트가 완성됩니다.

기술의 장점

• 우수한 촉매 활성: 10mA/cm² 전류 밀도 도달에 필요한 과전위가 255.3mV로, 상용 IrO₂ 촉매(283.5mV)보다 월등히 뛰어납니다.

• 빠른 반응 속도: 촉매 반응 속도를 나타내는 타펠 기울기가 37.0 mV/dec로 매우 낮아, IrO₂ 촉매(55.6 mV/dec) 대비 빠른 동역학을 가집니다.

• 높은 장기 내구성: 100mA/cm²의 높은 전류 밀도에서 200시간 동안 구동해도 성능 저하가 거의 없는 뛰어난 안정성을 보입니다. 반면 IrO₂ 촉매는 40시간 내에 급격한 성능 저하를 보였습니다.

• 탁월한 수전해 성능: 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템 적용 시, 2.0V의 전압에서 상용 촉매보다 약 1.5배 높은 2.5 A/cm²의 전류 밀도를 달성했습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 새롭게 합성된 고엔트로피 스피넬 산화물 나노시트(CrFeCoNiMo) 촉매의 물리적 특성을 분석하고, 기존 촉매들(CrFeCoNI, FeCoNi, IrO₂)과 비교하여 산소 발생 반응(OER)에 대한 전기화학적 성능(활성, 속도, 안정성)을 종합적으로 평가 및 검증하고자 하였습니다.

실험 결과

개발된 CrFeCoNiMo 촉매는 산소 발생 반응 활성, 반응 속도, 내구성 모든 측면에서 기존 3원계(FeCoNi), 4원계(CrFeCoNi) 촉매는 물론, 고가의 상용 IrO₂ 촉매보다 우수한 성능을 나타냈습니다.

과전위 비교 (10mA/cm² 기준)

타펠 기울기 비교

음이온 교환막 수전해(AEMWE) 성능 비교

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 그린수소 생산을 위한 알칼라인 수전해(AWE) 및 차세대 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템의 핵심 전극 촉매

• 재충전 가능한 고효율 금속-공기 배터리의 양극 촉매

• 이산화탄소 포집 및 활용(CCU) 기술에서의 전기화학적 전환 촉매

• 고성능 연료전지 시스템의 전극 소재

기대효과

• 기술적 측면: 귀금속 촉매를 뛰어넘는 성능과 안정성을 확보하여, 국내 수전해 및 배터리 기술의 국제 경쟁력을 제고합니다.

• 경제적 측면: 고가의 귀금속을 저렴한 범용 금속으로 대체하여 그린수소 생산 단가를 획기적으로 절감하고, 수소 경제 활성화에 기여합니다.

• 환경적 측면: 에너지 효율을 높여 탄소 배출 없는 청정에너지 생산을 가속화하고, 2050 탄소 중립 목표 달성에 기여합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전기 촉매 기술의 핵심 응용처인 수소 경제는 전 세계적으로 빠르게 성장하고 있습니다. 글로벌 수소 수요는 2024년 약 9,600만 톤에서 2040년 4억 톤으로 4배 이상 증가할 것으로 예상됩니다. (출처: http://www.sitec21.com/shop/item.php?it_id=1740123723&ca_id=90). 특히 수전해 장치 시장은 2031년까지 약 99억 7천만 달러 규모로 성장할 것으로 전망되어, 고성능 촉매의 수요는 폭발적으로 증가할 것입니다. (출처: https://www.kist.re.kr/_attach/kist/file/2024/02/fcwqGjinjLiHOaKvDDmzjSJyof.pdf).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

그린수소 생산 시장은 기술 선점을 위한 글로벌 경쟁이 치열합니다. 국내외 주요 기업들은 각기 다른 수전해 기술(AWE, AEMWE, SOEC) 분야에서 기술 개발 및 상용화를 추진하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 강화되는 환경 규제: 전 세계적인 탄소 중립 선언과 엄격한 배출 규제는 청정에너지 기술에 대한 투자를 가속화하고 있습니다.

2. 정부 정책 지원: 미국의 인플레이션감축법(IRA), 유럽의 'RePowerEU' 등 각국 정부는 수소 산업 육성을 위한 강력한 지원 정책을 펼치고 있습니다.

3. 그린수소 생산 단가 저감 필요성: 수소 경제 활성화를 위해 가장 중요한 과제는 생산 비용 절감이며, 이는 고효율·저비용 촉매 기술 개발의 중요성을 부각시키고 있습니다. (출처: https://www.kist.re.kr/_attach/kist/file/2024/02/fcwqGjinjLiHOaKvDDmzjSJyof.pdf).