하이드라진 보조 수전해 촉매 개발…실험실 구동 전압 약 8분의 1

홍익대학교 이원규 교수 연구팀이 하이드라진 보조 수전해에 사용할 촉매를 개발했다. 연구팀은 이 촉매를 양극과 음극에 적용한 실험에서 구동 전압이 산소발생반응 기반 수전해의 약 8분의 1 수준으로 낮아졌다고 밝혔다.

한국연구재단에 따르면 연구팀은 층상 백금 셀레늄 화합물(PtSe₂)에 산소 플라즈마를 처리해 표면에 백금 나노클러스터와 비정질 산화층이 공존하는 구조를 만들었다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 10월 6일 온라인 게재됐다.


양극의 산소발생반응을 하이드라진 산화로 대체
일반적인 수전해에서는 양극의 산소발생반응에 많은 에너지가 필요하다. 하이드라진 보조 수전해는 양극에서 이 반응 대신 하이드라진(N₂H₄)을 산화시켜 구동 전압을 낮추는 방식이다.

백금계 촉매는 반응 중간체가 표면에 흡착되면서 활성이 떨어질 수 있다. 연구팀은 PtSe₂의 표면 구조를 바꿔 하이드라진 산화반응과 음극의 수소발생반응에 모두 사용할 수 있는 촉매를 설계했다.

표면 구조 바꿔 반응 촉진…140시간 구동 시험
연구팀은 산소 플라즈마 처리로 PtSe₂ 표면에 백금 나노클러스터와 비정질 산화층을 형성했다. 연구팀의 분석에 따르면 백금 클러스터에서 산화층으로 전자가 이동하면서 하이드라진의 N–H 결합 분해와 반응 중간체 제거가 촉진됐다.

이 촉매를 양극과 음극에 동일하게 적용한 시스템의 구동 전압은 연구팀이 비교한 산소발생반응 기반 수전해의 약 8분의 1 수준이었다. 140시간 연속 구동 시험에서도 성능이 유지됐다. 이는 연구팀의 실험 조건에서 확인된 결과로, 상용 설비의 전력 사용량이 같은 비율로 줄어든다는 의미는 아니다.

이원규 교수는 “산소 플라즈마를 이용해 하나의 PtSe₂ 표면에 두 반응을 모두 촉진하는 구조를 만들었다”며 반응 중간체의 흡착으로 촉매 활성이 낮아지는 다른 전기화학 반응에도 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

※ 제공된 원고에서는 논문의 정확한 전압값과 비교 실험 조건을 확인할 수 없었습니다. 따라서 ‘약 8분의 1’은 **연구팀이 비교한 실험 결과**로 한정해 표현했습니다.