포스텍, 암모니아 전해로 여는 ‘저전력 그린수소 시대’ 연다

POSTECH 화학공학과 용기중 교수 연구팀, 신소재공학과·첨단재료과학부 이동화 교수 연구팀, KENTECH(한국에너지공대) 에너지공학부 김우열 교수 공동 연구팀이 백금–텅스텐 아산화물(Pt–WOx) 기반의 새 암모니아 전해 촉매를 개발했다. 

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 실렸다.

암모니아 전기 분해는 이론적으로 단 0.06V(볼트), 즉 건전지 한 개 수준의 아주 낮은 전압만으로도 수소를 생산할 수 있는 방식이다. 

하지만, 반응속도가 느리고, 반응 과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)이 촉매 표면에 달라붙어 금세 성능이 떨어지는 것이 가장 큰 걸림돌이었다. 

연구팀은 이러한 구조적 한계를 정면으로 해결하며 저전력 수소 생산 기술 상용화 가능성을 크게 높였다. 물을 전기 분해해 수소를 얻는 방식은 최소 1.23V가 필요하지만, 암모니아는 이론상 20분의 1 수준의 전압으로도 가능하다. 

문제는 암모니아 분해 과정에서 생성되는 질소산화물이 촉매를 막아 반응이 중단된다는 점이다. 마치 배수구에 머리카락이 쌓이듯 촉매가 금세 막혀 몇 시간도 버티지 못하는 것이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 텅스텐 아산화물(WOx) 나노선 위에 백금(Pt)을 빛으로 정교하게 쌓아 올리는 방식을 택했다. 이 구조 덕분에 두 물질 사이에서 전자가 활발히 이동해 반응 속도가 빨라졌으며, 질소산화물 생성은 억제됐다.

실험 결과, 연구팀의 촉매는 120시간 넘게 안정적으로 작동하며 기존 촉매가 수 시간 내에 성능을 잃는 한계를 완전히 넘어섰다. 

암모니아 산화 반응에서는 약 50mA/cm2의 전류밀도를 기록했고, 수소 발생 반응에서는 26mV의 매우 낮은 전압만으로도 수소 생산이 가능했다.

이어, 이 촉매를 실사용 환경에 가까운 막전극조립체(MEA, 전해 시스템의 핵심 모듈) 기반 전해 장치에 적용했을 때도 500mA/cm² 이상의 높은 전류밀도를 구현했다. 해당 전해 장치를 통해 기존 물 전해 방식보다 1V 이상 낮은 전압으로도 같은 양의 수소를 생산할 수 있게 됐다.

또 적외선 분광 분석과 전산 계산을 통해 성능 향상의 원리를 정밀하게 규명했다. 특히 암모니아가 분해되는 과정 가운데 가장 어려운 단계인 NH₂에서 NH로 전환되는 에너지 장벽을 크게 낮추고, 동시에 질소산화물이 촉매 표면에 결합하지 못하도록 차단한 것이 핵심 요인임을 확인했다.

용기중 교수는 “이번 연구는 기존 물 전기 분해 방식보다 훨씬 낮은 전력으로 깨끗한 수소를 생산할 수 있다는 것을 입증한 연구”라며 “탄소중립 시대를 준비하는 저탄소 수소 경제 실현의 중요한 전환점이 될 것”이라고 강조했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 탄소제로 그린 암모니아 사이클링 선도연구센터사업, 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다