[신기술] KAIST, 촉매층 구조 설계로 고효율 청정수소 생산기술 개발

촉매층 내부 물질 이동 경로 설계해 수전해 과정의 기포 막힘 문제 극복

세계 최고 수준 성능 기록·귀금속 사용량 절감…그린수소 상용화 기대

전 세계적으로 탄소중립 전환이 빨라지는 가운데, 물을 전기분해해 청정 수소(H₂)를 만드는 ‘수전해’ 기술이 주목받고 있다. 그동안 수전해 과정에서 생기는 기포가 반응 통로를 막아 효율이 떨어지는 한계가 있었지만, 최근 국내 연구진이 기포를 빠르게 내보내 수소 생산 효율을 높이는 혁신적인 기술을 개발해 이러한 한계를 극복했다. 

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀은 한국화학연구원(원장 신석민) 김성준 박사 연구팀, 건국대학교(총장 원종필) 이장용 교수 연구팀과 함께 촉매 활성 자체를 높이는 기존 접근법에서 벗어나 촉매층 내부의 물질 이동 경로를 새롭게 설계해 수전해 성능과 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 밝혔다. 

연구팀은 종이처럼 얇고 나노 크기의 미세한 구멍이 많은 2차원 메조다공성 탄소(2D Mesoporous Carbon) 나노시트를 활용해 물질 이동 경로가 복잡하게 얽히지 않는 저굴곡(Low-

tortuosity) 구조를 구현했다. 다시 말해, 물과 기체가 빠르게 지나갈 수 있는 ‘고속도로 같은 통로’를 촉매층 안에 구현한 것이다. 

여기에 결함이 도입된 탄소(C) 표면에 나노미터 크기의 초미세 금속 입자인 ‘루테늄(Ru) 나노클러스터(Nanocluster)’를 안정적으로 고정해 수소 발생 반응 속도를 높였다. 또한 장시간 구동 환경에서도 촉매가 손상되지 않도록 계면 구조를 정밀하게 제어했다. 

그림 1. Ru-C 결합과 2D 메조다공성 촉매층 구조를 이용한 고성능 음이온교환막 수전해 모색도

이 기술을 통해 수전해 과정에서 발생하는 기포가 촉매층 내부에 쌓이지 않고 빠르게 배출되는 것을 확인했으며, 고전류가 흐르는 극한 환경에서도 안정적인 반응이 유지됐다. 

그 결과 80℃에서 세계 최고 수준인 17.1 A ㎝-²의 성능을 기록하며 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2026년 목표치를 뛰어넘었다. 이는 단위 면적당 흐르는 전류량의 수치로, 값이 높을수록 더 많은 수소를 빠르게 생산할 수 있다. 

또한 낮은 귀금속 사용량(0.09㎎Ru ㎝-2) 조건에서도 1천 시간 이상 안정적으로 작동해 실제 산업 현장에서의 활용 가능성을 입증했다. 이는 촉매에 사용되는 귀금속인 루테늄의 양을 크게 줄인 수준으로, 수전해 시스템의 경제성을 높일 수 있다는 의미도 가진다. 

핵심은 촉매층 내부의 물질 이동 구조 자체를 새롭게 설계했다는 점이다. 기존 수전해 장치는 반응 과정에서 생기는 기포가 내부에 쌓이며 물과 전기 흐름을 막아 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 기포가 빠르게 빠져나갈 수 있도록 촉매층 구조를 바꿨다. 

이번 연구는 친환경 수소를 보다 저렴하고 효율적으로 생산할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 현재 수소는 탄소중립 시대의 핵심 청정에너지로 주목받고 있지만, 생산 비용이 높고 시스템 효율이 낮다는 한계가 있었다. 특히 기존 고성능 수전해 장치는 비싼 귀금속을 많이 사용해야 해 대규모 상용화에 어려움이 있었다. 

연구팀은 이번 기술이 적은 양의 귀금속만으로도 높은 성능과 안정성을 구현할 수 있다는 가능성을 보여줬다고 설명했다. 향후 대규모 그린수소 생산, 친환경 발전 시스템, 수소차·친환경 모빌리티, 탄소중립 산업 공정 등 다양한 분야로 확대될 수 있을 것으로 기대된다. 

이진우 교수는 “이번 연구는 촉매 자체뿐 아니라 에너지가 흐르는 길까지 함께 설계해 수전해 효율을 높인 기술”이라며 “적은 양의 귀금속으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해 향후 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

이번 연구 결과는 국제학술지인 『줄(Joule)』에 ‘결함이 도입된 2차원 메조다공성 탄소 기반 촉매층 구조화를 통한 수전해 성능 향상(Outperforming water electrolysis through catalyst layer structuring with defective 2D mesoporous carbon)’이라는 제목으로 온라인 게재됐으며, 9월 16일 『줄』 정식 호에 수록될 예정이다. 

아울러 한국연구재단의 ‘AEM수전해기술육성’, ‘나노미래소재원천기술개발’을 비롯해 교육부의 ‘박사과정생연구장려금지원사업’, 한국화학연구원, 롯데케미칼 탄소중립센터의 지원을 받아 수행됐다.

[『워터저널』 2026년 6월호에 게재]