- 그린수소 생산 설비의 대규모 보급 막던 이리듐 사용량 획기적 축소

- 튜브 구조의 나노튜브 전극 개발, PEM 수전해 전극의 새로운 패러다임 제시

전 세계가 탄소중립을 위해 그린수소에 주목하고 있다. 석탄이나 천연가스로 만드는 기존 수소와 달리, 그린수소는 재생에너지로 만든 전기로 물을 분해해 생산하기 때문에 탄소 배출이 전혀 없다. 그린수소를 생산하는 과정에서 물을 수소와 산소로 쪼개는 핵심 부품이 수전해 설비의 ‘전극’인데, 전극에는 이리듐이라는 금속이 반드시 필요하다. 문제는 이리듐이 백금보다 비싼 희귀 금속인 데다 전 세계 연간 생산량이 수십 톤에 불과해, 그린수소 생산 설비를 대규모로 늘리는 데 걸림돌이 돼왔다.

(A) 이리듐 로딩량에 따른 면전기전도도와 전기적 퍼콜레이션 임계값 모델링 

(빨간색-이리듐 나노튜브/파란색-이리듐 나노입자)

(B) 이리듐 나노입자와 이리듐 나노튜브의 임계값 전/후의 전기전도 모식도

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소·연료전지연구단 박현서 박사 연구팀과 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 성영은 교수 공동 연구팀은 이리듐 나노튜브(IrNT)를 그물망 구조로 배치해, 기존보다 훨씬 적은 이리듐으로도 전류가 끊기지 않고 흐르는 수전해 전극을 구현했다고 밝혔다. 

기존에는 이리듐을 작은 알갱이, 즉 나노입자 형태로 전극에 뿌려 사용했다. 그런데 이 알갱이들이 전류를 흘리려면 서로 빽빽하게 맞닿아 있어야 했고, 그러려면 이리듐을 충분히 많이 깔아야만 했다. 이리듐을 줄이면 알갱이 사이에 빈틈이 생겨 전류 경로가 끊기고, 성능이 급격히 떨어졌다. 이리듐 사용량을 줄이고 싶어도 줄일 수 없었던 근본적인 이유였다.

(A) 본 개발 기술의 촉매 제조 공정 모식도

연구팀은 알갱이 대신 튜브 형태로 발상을 바꿨다. 은 나노와이어를 틀로 삼아 그 위에 이리듐을 얇게 입힌 뒤 내부의 은을 녹여 속이 빈 이리듐 나노튜브를 만들었다. 이 튜브들을 지지체 위에 쌓으면 마치 나뭇가지가 얽히듯 그물망 구조가 형성된다. 나노튜브는 긴 몸체가 서로 연결되기 때문에 훨씬 적은 양으로도 전류가 끊기지 않고 흐를 수 있다.

(A) 촉매가 코팅되지 않은 티타늄 다공성 지지체

(B) 본 개발 기술로 제조한 이리듐 나노튜브 네트워크가 코팅된 티타늄 다공성 지지체 전극

실험에서 이 구조의 장점이 극명하게 드러났다. 기존 나노입자 전극이 제대로 작동하려면 이리듐이 1㎠ 면적당 350마이크로그램 이상 필요했지만, 나노튜브 전극은 31.3 마이크로그램만으로도 같은 수준의 전기적 연결이 가능했다. 10분의 1도 안 되는 양으로 동등한 성능을 낸 셈이다.

이번 연구가 기존과 결정적으로 다른 점은 성능뿐 아니라 “얼마나 오래 버티는가”까지 답했다는 데 있다. 연구팀은 40일 장기 구동 시험으로 전극이 어떻게 망가지는지 단계별로 확인하고, 성능과 수명을 동시에 만족하는 이리듐 적정 사용량을 수치로 제시했다. 이 조건에서는 30일 구동 후에도 초기 성능 대비 98.3% 수준의 성능을 유지했다. 

(A) 본 개발 기술로 제조한 전극의 수전해 내구 평가

(B) 본 개발 기술로 제조한 전극의 시간 경과에 따른 수전해 성능 평가

박현서 KIST 책임연구원은 “적은 양의 이리듐으로도 높은 성능을 내는 것을 넘어, 실제 장기 구동에 필요한 구조적 조건까지 정량적으로 제시했다는 점에서 의미가 있다”라며 “저귀금속 수전해 전극의 상용화 설계 기준으로 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 배경훈) 그린수소기술자립프로젝트(RS-2024-00466554)와 산업통산부(장관 김정관) 신재생에너지핵심기술개발사업(RS-2025-25449128) 및 KIST 주요 사업으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ (IF: 21.1, JCR 분야 상위 0.6%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Percolation-driven iridium nanotube network linking utilization and durability for oxygen evolution electrode in proton exchange membrane water electrolysis (DOI : 10.1016/j.apcatb.2026.126744)

(A) 본 개발 기술의 임계치 모식도

(B) 본 개발 기술의 2단계 열화 모식도