비귀금속 촉매가 저렴한 수소 생산의 길을 열다

세계가 화석 연료에서 벗어나 지구 온난화 위기를 완화하려는 전환 과정에서, 수소는 ‘미래의 연료’로 주목받고 있다.

이는 물이 풍부하고, 에너지 수율이 높으며, 부산물로 물만 생성하고, 온실가스(GHG) 배출이 최소이거나 전혀 없다는 등 여러 이유 때문이다. 이러한 특성 덕분에 청정 수소는 운송, 전력 생산, 난방 및 철강, 화학, 시멘트 등 산업 분야 등 다양한 적용 분야에서 활용될 수 있다.

수소가 우리 사회 탈탄소화에 큰 잠재력을 보여주지만, 오늘날 생산되는 대부분의 H2는 화석 연료(메탄)에서 직접 추출되어 상당한 CO2 배출을 초래한다. 따라서 친환경적이고 청정한 수소를 대규모로 생산할 수 있는 대안이 필요하다.

그 결과, 현재 진행 중인 연구는 효율적이고 환경 친화적인 수소 연료 생산 방법을 찾는 데 집중하고 있다.

HER: 녹색 수소 생산을 위한 유망한 경로

주목받는 녹색 수소 생산 방법 중 하나는 물 전기분해이다.

수소 생산을 위한 물 전기분해에서 발생하는 핵심 반응은 수소 발생 반응(HER)이며, 이는 전기화학의 기본 과정이다.

물 전기분해는 전기를 이용해 물을 산소(O2)와 수소(H2) 가스로 분해하는 것으로, 대규모로 수소 연료를 효율적이고 청정하게 생산하는 방법이다.

작은 전기저항 손실(전하가 매질을 통과할 때 열 형태로 손실되는 전위 에너지), 높은 전류 밀도, 낮은 가스 교차율 덕분에 실험실 규모의 HER 공정을 상업용 양성자 교환막(PEM) 물 전해조로 확장하면 지속 가능한 녹색 수소 생산 경로를 제공한다.

PEM 전기분해에서는 전기와 고체 고분자 전해질을 이용해 물을 분해하여 수소를 생산한다. 이 과정에서 먼저 전기를 가해 물 분자를 수소 이온(양성자), 전자, 산소로 분리한다. 양성자는 양극과 음극을 구분하는 프로톤 전도성 고분자 막을 통해 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐른다.

양극에서는 물 분자가 산화되어 산소, 양성자, 전자만 생성된다. 음극에서는 양성자와 전자가 결합해 수소 가스를 만든다.

이 방법은 연료 전지를 위한 수소 생산뿐만 아니라 비료 생산, 석유 정제, 석유화학 등 다양한 산업 공정에도 활용된다.

하지만 강한 환원성 산성 전해질‑촉매 계면과 같은 가혹한 작업 조건이 문제이다. 이러한 환경 때문에 상업용 PEM 전해조는 높은 활성을 유지하기 위해 희소하고 비용이 높은 백금(Pt) 음극을 사용해야 한다.

가혹한 조건으로 인해 비귀금속 기반 음극은 양성자 교환막(PEM) 전해조에 적합하지 않다.

테라와트 규모의 PEM 실용화를 위해서는 귀금속을 대체할 저렴한 촉매가 필요하다. PEM 상용화에 적합한 비귀금속 기반 음극을 찾는 연구가 진행 중이지만 여전히 어려움이 있다.

여기서 전이금속 인화물(TMPs)은 HER 촉매로서 가능성을 보여주었지만, 이를 귀금속 대체에 활용하는 단계는 아직 초기이다. 주요 원인으로는 가혹한 작업 조건에서의 내구성 이해 부족과 수소 생성 과정 중 활성 부위 회전 모니터링이 부족하기 때문이다.

표면 재구성 전략이 저렴한 수소 연료를 생산한다

최근 CoP 나노입자를 음극으로 사용하면 산업용 PEM 물 전해조에 손쉽게 통합될 수 있어 상업적 적용 가능성을 보여주었다.

하지만 문제는 실험실 수준의 HER 반응을 대규모 상업 생산으로 확대하면서 비용을 낮추는 것이었으며, 최신 연구가 이를 달성했다.

2025년 4월 Advanced Energy Materials¹에 발표된 연구에 따르면, 도호쿠 대학 연구팀은 CoP|F 음극(F‑수정 CoP)을 실험실 규모(0.2 cm²)에서 상업용 PEM 전해조(38 cm²)로 확장 사용함을 입증했다.

우수한 HER 성능을 찾는 과정에서 연구팀은 표면 재구성 경로가 비귀금속 기반 음극을 장기간 유지시키며 HER를 향상시킬 수 있음을 발견했다.

이러한 음극은 300시간 이상 성능을 유지할 수 있었다. 또한 팀이 산출한 비용은 미국 에너지부가 2026년 목표로 설정한 킬로그램당 2.00 달러(H₂)와 매우 근접했다.

본래 느리고 효율이 낮은 HER 반응을 가속화하기 위해 팀은 TMP에 주목했다. 전이금속 인화물은 비용 효율적이며 내구성이 뛰어난 비귀금속이다. 독특한 전자 구조와 높은 촉매 활성을 가진 유망한 촉매로 HER 효율을 향상시킨다.

이 목적에 일반적으로 귀금속이 사용되는 상황에서, 연구자들은 비귀금속에 대한 지식 격차가 존재하며 이를 메워야 한다고 믿는다.

비귀금속 촉매는 귀금속에 비해 비용 효율적이고 풍부하게 이용 가능한 대체 재료를 의미한다. 이러한 비귀금속 촉매는 반응성을 조절할 수 있어 필요에 따라 안정성, 선택성, 활성을 향상시킬 수 있다.

따라서 팀은 F‑수정 CoP를 제작한 뒤, 작동 중 X‑ray 흡수 분광법(XAS)과 라만 측정을 이용해 표면 재구성 및 실제 활성 부위와 같은 다양한 특성을 평가했다.

결과는 플루오린을 CoP1‑x 격자에 첨가하면 Co‑P 결합이 파괴되어 비정질 금속 Co가 재구성됨을 확인했다. 표면에 인(P) 결함 부위가 형성되어 활성 부위가 증가하고, 이는 HER를 가속화한다.

재구성된 표면은 환원성 산성 전해질‑촉매 계면에서 높은 활성과 내구성을 보인다. 특히 상업용 PEM 전해조에서 음극으로 사용될 때 CoP|F) 음극의 성능은 첨단 Pt/C 촉매와 비교될 정도이며 비용은 킬로그램당 2.17 달러에 불과하다.

“이 재구성된 Co는 높은 활성을 가지고 산성 조건에서도 작동하며 300시간 이상 약 76 W를 유지할 수 있다”고 WPI‑AIMR(Advanced Institute for Materials Research) 조교수인 Heng Liu가 말했다. “우리는 연료를 저렴하게 생산할 수 있는 방법에 점점 가까워지고 있다”고 덧붙이며, 비용이 2026년 현재 목표 대비 17 센트에 불과하다고 언급했다.

이러한 인상적인 결과를 바탕으로 연구진은 상업용 PEM 전해조용으로 고효율, 비용 절감, 내구성이 뛰어난 비귀금속 기반 음극을 제공하는 표면 재구성 경로를 제시하고자 한다.

더 중요한 점은 이 설정이 3전극 실험실 규모에만 국한되지 않고 실제 상업 규모로 확장되었다는 것이다. 또한 새로운 음극에 대한 합리적인 설계는 다른 비귀금속 기반 음극의 기반이 될 수 있어, 이 연구는 실험실과 공장 사이의 격차를 메우는 잠재력을 가진다.

“우리는 항상 연구가 일상 생활에 적용되는 최종 목표를 생각한다. 이번 발전은 상업용 PEM 적용을 위한 보다 현실적인 옵션을 설계하는 데 한 걸음 더 다가가게 한다.”

– Liu

청정 수소 생산의 진보

수소가 유망한 청정·재생 에너지 원으로 부상함에 따라, 현재 상업 규모 수요를 충족할 수 있는 효율적인 수소 생산, 특히 전기 구동 물 분해에 대한 관심이 크게 집중되고 있다.

물 전기분해는 두 가지 반응으로 나뉜다: 음극에서 물이 환원되어 수소를 생성하는 수소 발생 반응(HER)과 양극에서 물이 산화되어 O₂를 생성하는 산소 발생 반응(OER)이다. 두 경우 모두 촉매가 중요한 역할을 하며, H₂와 O₂를 효율적으로 생산하기 위한 고성능 촉매가 필요하다.

이번 달에도 AIMR·도호쿠 대학의 또 다른 연구에서 연구진은 물 전기분해를 통한 저비용 수소 생산을 위한 새로운 촉매 프레임워크를 제시했으며, 여기서는 OER에 초점을 맞추었다.

이 물질은 2–50 nm 크기의 기공을 가진 메조포러스(single‑crystalline) Co₃O₄(코발트(II, III) 산화물)에 원자 수준으로 분산된 이리듐(Ir)을 도핑한 것으로, 산성 OER를 위해 설계되었다.

OER 성능으로 알려진 이리듐은 희귀하고 비용이 높다. 또한 이리듐을 효율적으로 사용하면서 안정성을 유지하는 것이 기술 확대에 도전 과제이다. 따라서 연구는 원자 수준 효율을 극대화하는 물질을 통해 해결책을 제시한다.

메조포러스 스피넬 구조를 특징으로 하는 촉매는 큰 이리듐 클러스터를 형성하지 않고 높은 이리듐 적재량(13.8 wt%)을 구현할 수 있어 Co‑Ir 브리지 부위를 형성한다. 산성 OER 조건에서 이 부위는 높은 고유 활성을 보였다.

이를 분석하기 위해 연구팀은 실험 데이터와 계산 모델링을 결합했으며, 이는 산소 중간체(O*)가 Co₃O₄ 표면을 완전히 덮어 Co 부위를 일반적으로 패시베이션하지만, 이리듐 도핑이 부위를 재활성화하고 동시에 촉매의 구조적 완전성을 강화한다는 것을 시사한다.

이 연구는 이리듐과 코발트 손실을 각각 약 1/4, 1/5 수준으로 낮추었으며, 촉매는 100시간 이상 성능을 유지했다.

“메조포러스 구조는 핵심적인 역할을 한다. 이는 단일 원자 이리듐 적재 공간을 제공하고 촉매 활성을 위한 안정된 환경을 조성한다.”

– 연구 책임자 Hao Li 교수

향후 연구는 도핑 수준 조정, 공정 규모 확대, 그리고 이를 상업용 전해조 시스템에 통합하는 데 초점을 맞출 것이다.

또 다른 연구에서는 경제적인 이리듐 촉매를 조사했으며, 분석에 따르면 PEM‑WE를 이용한 전 세계 운송용 수소 수요를 충족하려면 이리듐 기반 양극 재료가 0.05 mgIr/cm² 이하이어야 한다. 그러나 현재 시장에서 사용되는 최고의 촉매인 이리듐 산화물은 이보다 약 40배 많은 양을 포함한다.

다행히도 이에 대한 해결책이 이미 개발 중이다. Heraeus Group의 Kopernikus P2X 프로젝트는 이리듐 산화물(IrO₂) 얇은 층을 나노 규모 티타늄 디옥사이드(TiO₂) 지지체에 입힌 새로운 효율적인 이리듐 기반 나노촉매를 만들고 있다.

P2X 촉매는 장기 운전에서도 뛰어난 안정성을 보이며, 보다 결정질인 벤치마크보다 우수한 성능을 나타낸다.

수소 생산을 비용 효율적이고 규모 확대 가능하며 환경 친화적으로 만들기 위한 다양한 기술을 연구하는 것 외에도, 전 세계 연구자들은 수소를 효율적으로 저장하는 방법을 탐구하여 청정 수소가 실제 적용될 수 있도록 돕고 있다.

올해 초, 미국 에너지부의 지원을 받은 과학자 팀은 휘발성 수소를 저장하고 방출하는 새로운 방법을 시연했다. 이는 수소를 연료원으로 사용할 때의 주요 과제 중 하나인 낮은 밀도와 폭발성으로 인한 저장·운송 비용 및 비효율성을 해결한다.

과학자들이 개발한 것은 리그닌 기반 제트 연료로, 수소를 안정적인 액체 형태로 화학적으로 결합시킬 수 있다. 워싱턴 주립대학 Bin Yang 교수에 따르면, 이 기술은 “취급이 용이한 지속 가능한 항공 연료에 고밀도 수소 저장을 효율적으로 가능하게 하여, 저장 및 운송을 위한 고압 탱크 필요성을 없앨 수 있다.”

새로운 공정은 실험실에서 개발된 리그닌 제트 연료를 화학 반응시켜 방향족 탄소와 수소를 생성했다. 식물에 존재하는 리그닌은 천연 고분자로 지구상에서 두 번째로 풍부한 물질이다.

다음 단계에서는 연구진이 AI 기반 촉매를 설계하여 반응을 개선하고 효율성과 비용 효율성을 높일 예정이다.

혁신적인 기업

Cummins Inc (CMI )

글로벌 전력 솔루션 제공업체인 Cummins Inc.는 엔진, 부품, 유통, 전력 시스템, Accelera 등 다양한 부문을 통해 운영된다.

이 회사는 지속 가능한 미래 구축을 위해 수소 엔진 기술을 광범위하게 탐구하고 활용하고 있다. Cummins는 2019년 수소 연료전지 및 전해조 제조업체인 Hydrogenics를 인수하면서 수소 경제에 첫 발을 내디뎠으며, 이후 지속적인 진전을 이루어 왔다.

여기에는 15 L 수소 내연기관(ICE) 및 15 L 천연가스 엔진 출시가 포함된다. Cummins 포트폴리오에는 수소 저장 솔루션과 연료전지 기술 개발도 포함된다.

몇 년 전, Accelera는 미네소타에서 전해조 생산을 시작했으며, 이는 미국 최초의 전해조 생산 시설이다.

“녹색 수소 생산을 위한 대규모 전기분해는 운송 및 산업 탈탄소화의 핵심 요소이다.”

– 당시 Accelera 사장 Amy Davis

2025년 3월, Cummins는 학계, 정부, 운송 산업 전문가들이 결성한 북미 수소 엔진 연합(H2EA‑NA)의 창립 멤버가 되었으며, 이는 수소 내연기관(H2‑ICE) 및 해양 엔진, 온·오프로드 차량·장비에의 적용을 촉진하기 위한 이니셔티브이다.

회사의 시장 실적에 대해 말하자면, Cummins 주가는 20년 넘게 강한 상승 추세를 보였다. 이 과정에서 하락이 있었으며 이는 투자자들에게 매수 기회를 제공했다. 올해 현재까지 Cummins 주가가 약 16% 하락한 것도 같은 방식으로 해석될 수 있다.

작성 시점 기준으로 CMI 주가는 $294.16에 거래되고 있으며, Cummins의 시가총액은 $403.8 억이다. 이에 따라 EPS(TTM)는 28.17, P/E(TTM)는 10.41, ROE(TTM)는 41.27%이다. 흥미롭게도 Cummins는 2.48%의 배당 수익률을 제공하여 잠재적으로 매력적인 투자 기회가 된다.

재무 측면에서, 2024년은 회사가 “Destination Zero 전략을 진전시키는 데 큰 진전을 이루었다”고 부른 ‘전환기’이며 “기록적인 실적”을 달성한 해였으며, 매출은 $341억으로 전년 대비 변동이 없었다.

이는 북미 판매가 1% 증가했지만 대형 트럭 수요 감소를 기록했으며, 국제 매출이 전년 대비 1% 감소한 결과이다. 그 원인 중 하나는 지난해 Cummins에서 분리되어 완전 독립 기업이 된 Atmus Filtration Technologies (ATMU ) 이다. 또한 Accelera는 조직 개편을 겪었으며, 이는 운영 효율화와 투자 집중을 위한 비용을 초래했다.

Cummins의 2024년 전체 순이익은 $39억, 즉 희석 주당 $28.37으로, Atmus 분리와 관련된 이익 증가로 크게 상승했다.

올해 Cummins는 북미에서 “다소 약화된” 수요가 예상되어 매출이 -2%에서 +3% 사이가 될 것으로 전망한다. 그럼에도 회사는 영업 현금 흐름의 50%를 주주에게 환원한다는 장기 전략 목표에 대한 약속을 공유했다.

2024년 Cummins는 15년 연속 보통주 현금 배당금을 인상했으며, 배당을 통해 주주에게 $9.69 억을 반환했다.

지난 해 회사가 이룬 다른 발전으로는 B, X10, X15 시리즈 엔진 포트폴리오 전반에 적용된 Cummins HELM(고효율, 저배출, 다연료) 엔진 플랫폼 도입과 일본 자동차 제조업체 이스즈의 중형 트럭 신제품 라인 전용 신규 엔진 출시가 있다.

게다가 Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses, PACCAR (PCAR ) 는 미국 내 배터리 셀 생산 및 공급망 현지화를 위해 Amplify Cell Technologies라는 합작 회사를 설립했다. Amplify는 이미 21 GWh 공장 건설을 시작했으며, 2027년 생산을 목표로 하고 있다.

Cummins Inc 최신 소식

결론

화석 연료에 대한 유망한 대안은 청정 수소이다. 전 세계 탈탄소화 전략의 핵심 요소인 청정 수소는 높은 에너지 밀도, 오염 물질이 없는 부산물, 다양한 분야에서의 다목적성을 제공하므로 비용 효율적인 수소 생산 방법 개발이 필수적이다.

PEM 전기분해는 세계 에너지 전환을 촉진할 수 있는 접근 방식 중 하나이다. 여기서 도호쿠 대학 연구진은 비용이 높은 백금 촉매를 표면 엔지니어링된 비귀금속 대체물로 교체함으로써 청정 수소를 상업적으로 실현 가능한 단계로 나아가게 하는 핵심적인 발걸음을 내디뎠다.

그 비용 효율성은 미국 DOE의 목표 비용에 근접하며, 실제 PEM 전해조에서 CoP|F 음극을 확대함으로써 우리는 청정 수소를 전 세계 에너지 수요를 위한 대량 시장 솔루션으로 잠재적으로 구현하고 있다!

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참고 연구:

1. Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). 표면 재구성이 비귀금속 음극을 활성화하여 양성자 교환막 물 전해조를 작동시킨다. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846