UNIST, 네오디뮴 첨가 망간 촉매로 수전해 내구성 향상

▲ 네오디뮴을 첨가한 망간 산화물 촉매의 원자 배열과 결정 구조, 망간·네오디뮴·산소의 원소별 분포를 보여주는 연구 모식도 및 분석 이미지

국내 연구진이 값비싼 희귀금속 이리듐 의존도를 낮출 수 있는 망간 기반 수전해 촉매를 개발했다. 희토류 원소인 네오디뮴을 활용해 망간 촉매의 반응성과 구조 안정성을 동시에 높인 기술로, 그린수소 생산에 필요한 촉매의 원가 경쟁력과 장기 운전 성능을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST는 에너지화학공학과 류정기·이준희 교수 연구팀이 망간 산화물에 네오디뮴(Nd)을 첨가해 강한 산성 환경에서도 1,000시간 이상 안정적으로 작동하는 산소 발생 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해는 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 기술이다. 특히 양성자교환막수전해조(PEMWE)는 높은 전류밀도에서 고순도 수소를 효율적으로 생산할 수 있지만, 양극에서 산소가 발생하는 과정에 강한 산성과 높은 전압이 작용해 촉매가 쉽게 손상되는 문제가 있다. 이에 산성 환경에서 안정적인 이리듐 산화물이 주로 사용되지만, 이리듐은 매장량이 적고 가격이 높아 대규모 수전해 설비의 비용 부담 요인으로 꼽힌다.

연구팀은 비교적 풍부하고 저렴한 망간에 주목했다. 망간은 식물의 광합성 과정에서 물을 분해해 산소를 발생시키는 촉매의 핵심 구성 원소이지만, 산성 환경에서는 산화 상태가 불안정해지고 전해액에 녹아 나와 성능과 내구성이 저하되는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 망간 산화물에 네오디뮴을 첨가해 촉매의 전자구조와 결합 상태를 조절했다. 네오디뮴은 산소 발생 반응에 유리한 3가 망간(Mn³⁺) 상태를 안정화하는 동시에 망간과 산소 사이의 결합을 강화해 촉매의 용해와 구조 붕괴를 억제하는 역할을 한다.

개발된 촉매 내부에서는 산소 발생 반응을 촉진하는 산화망간(Mn₂O₃) 영역과 구조적 안정성을 뒷받침하는 이산화망간(MnO₂) 영역이 공존한다. 연구팀은 두 영역의 기능 분담과 네오디뮴의 전자구조 조절 효과를 통해 반응 활성과 내구성을 동시에 확보했다.

성능 평가 결과, 개발 촉매는 강산성 용액에서 전류밀도 200mA/㎠ 조건으로 1,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 반면 네오디뮴을 첨가하지 않은 비교 촉매는 같은 조건에서 약 300시간 이후 성능이 빠르게 저하됐다. 산소 발생에 필요한 추가 전압도 낮아져 에너지 효율 개선 가능성을 확인했다.

실제 양성자교환막수전해조에 적용한 시험에서도 전류밀도 100mA/㎠ 조건에서 600시간 이상 작동했다. 이는 소재 수준의 성능 개선을 넘어 실제 수전해 장치에 적용할 수 있는 가능성을 보여준 결과다.

이번 연구는 값비싼 이리듐을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매의 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 망간의 반응성과 산성 환경에서의 안정성을 함께 개선함으로써 향후 수전해 설비의 귀금속 사용 부담을 줄이고 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것으로 전망된다.

한편, 이번 연구는 UNIST 김현구·조진형 연구원이 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 18.1)’에 9월 11일 게재됐다.