루테늄 1nm 입자가 바꾼 물 분자 배열… 그린수소 촉매, ‘백금 대체’ 가능성

그린수소 생산의 핵심인 알칼리 수전해 시스템에서 고가의 백금을 대체할 수 있는 고효율 촉매 설계 원리가 확인됐다. 1nm(나노미터·10억분의 1m) 수준의 극미세 루테늄(Ruthenium) 입자가 반응 과정에서 스스로 산화 표면을 유지하며 주변 물 분자 구조를 재배열해 수소 발생 속도를 크게 높이는 메커니즘이 규명된 것이다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 KAIST 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서울대학교 한정우 교수팀, 한국에너지공과대학교 김우열 교수팀, 한국과학기술연구원(KIST) 조성기 박사팀과 공동으로 루테늄 나노클러스터 촉매의 작동 중 표면 상태를 규명했다고 13일 밝혔다. 연구는 과학기술정보통신부의 나노미래소재원천기술개발사업 및 그린수소기술자립프로젝트 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 온라인 게재됐다.


1nm 서브나노 입자의 반전… ‘부분 산화 표면’이 물 해리 촉진
음이온교환막 수전해(AEMWE) 기술은 알칼리 환경에서 작동해 저렴한 비귀금속 소재를 활용할 수 있어 경제성이 높지만, 수소 발생 반응 속도가 산성 조건보다 현저히 느리다는 고질적 한계를 안고 있었다. 물 분자를 먼저 쪼개 수소 중간체를 만드는 과정이 필수적인데, 기존 촉매들은 이 단계에서 병목 현상을 겪어 왔다.

연구팀은 질소 도핑된 탄소 지지체 위에 루테늄을 올린 뒤 열처리 온도를 세밀하게 제어해 단일 원자부터 1nm 이하 서브나노미터 클러스터, 더 큰 나노클러스터까지 크기별 촉매군을 합성했다. 분석 결과, 약 1nm 크기의 루테늄 나노클러스터는 강한 환원 전압이 인가되는 수소 발생 조건에서도 루테늄-산소(Ru-O) 결합을 포함한 ‘부분 산화 표면’을 안정적으로 유지했다.

일반적인 금속 촉매가 반응 중 금속 상태로 돌아가려는 성질과 대조적이다. 이렇게 형성된 부분 산화 표면은 촉매 주변 물 분자의 수소결합 네트워크를 변화시켜 물 해리 단계를 유리한 방향으로 이끄는 것으로 나타났다. 촉매 입자의 크기가 단순히 작아지는 것을 넘어, 특정 크기에서 형성되는 원자 구조가 계면의 물 구조를 직접 제어해 반응 효율을 끌어올린 셈이다.

DOE 목표 수준 상회… 400시간 연속 가동 검증
실험 결과도 이를 뒷받침한다. 개발된 촉매는 반쪽 전지 평가에서 10mA/cm² 전류밀도에 도달하는 데 필요한 과전압이 20mV에 불과했다. 귀금속 무게당 수소 생산 활성도는 100mV에서 11.05A/mgNM를 기록했다. 상용화 환경과 유사한 음이온교환막 수전해 단일셀 평가에서는 5.34A/cm²의 높은 전류밀도를 달성했고, 실용 수준인 1A/cm²에서 400시간 이상 안정적으로 작동하며 실제 장치 적용 가능성을 입증했다.

특히 미국 에너지부(DOE)가 제시한 궁극 목표인 0.125mgNM/cm²의 낮은 귀금속 사용량 조건에서도 80℃, 1.8V에서 3.19A/cm²의 전류밀도를 기록해, 2026년 수전해 성능 목표 수준을 상회하는 성능을 보였다는 게 연구진의 설명이다.

이진우 KAIST 교수는 “루테늄 촉매의 크기와 원자 구조가 실제 작동 중 표면 산화상태와 계면 물 구조를 어떻게 바꾸는지 규명한 점이 이번 연구의 핵심”이라며 “이번 연구에서 확인한 작동 중 표면 상태의 역할은 향후 고성능 알칼리 수전해 촉매 설계와 그린수소 생산 기술 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.