플래티넘 프리 수소 촉매: 청정 에너지 기술의 도약

기후 위기가 악화됨에 따라 에너지 시스템을 탈탄소화해야 할 긴급한 필요성이 대두되면서 전 세계적으로 청정 에너지 전환이 진행되고 있습니다.

석탄 및 석유와 같은 화석 연료와 달리, 청정 에너지 원은 생산 과정에서 메탄, 이산화탄소, 아산화질소 등과 같은 대량의 온실가스(GHG)나 기타 오염 물질을 배출하지 않아 보다 건강한 환경에 기여합니다.

흥미롭게도, 청정 에너지는 태양과 같은 재생 가능한 원천에서 얻을 수 있으며, 이는 지속적으로 보충되고 전 세계에 걸쳐 이용 가능하고, 또한 핵 에너지와 같은 비재생 원천도 포함되며, 이는 한정된 자원(우라늄)을 활용합니다.

화석 연료와 비교했을 때, 청정 에너지 원은 유지보수 및 운영 비용이 낮아 소비자에게 보다 안정적인 가격을 제공할 수 있습니다.

이에 따라 청정 에너지 산업은 빠르게 성장하고 있으며, 환경 영향을 줄이고 지속 가능성을 촉진하는 클린테크 기술에 대한 투자가 증가하여 Deloitte에 따르면 2024년 3분기에 사상 최대 710억 달러에 달했습니다.

이제 청정 에너지 원에 대해 이야기하면, 가장 두드러진 것들은 다음과 같습니다:

1. 태양광 – 태양의 복사를 활용하여 광전지(PV) 패널과 같은 기술을 통해 햇빛을 직접 전기로 변환합니다. 2024년에는 전 세계 태양광 용량이 크게 급증하여 593GW의 태양광 PV 용량이 추가되었습니다. 
2. 풍력 – 풍력의 운동 에너지는 터빈을 통해 전기로 변환됩니다. 터빈의 위치에 따라 두 가지 유형으로 나뉩니다: 육상 풍력은 풍력 발전소가 육지에 위치하고 있는 경우이며, 해상 풍력은 풍력 발전소가 바다에 위치하고 있는 경우입니다.
3. 수력 – 흐르는 물의 운동 에너지는 주로 댐과 터빈을 통해 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 수력 발전은 전체 전력 생산의 약 15%를 차지합니다. 
4. 지열 – 이 형태의 에너지는 지구 내부의 열을 활용하여 지열 발전소가 지하 저수지에 위치해 얻어집니다.  
5. 바이오매스 – 여기서는 농작물 폐기물 및 임업 잔류물과 같은 유기 물질을 활용합니다. 
6. 핵  – 원자에서 얻는 에너지이며, 핵분열 및 핵융합을 통해 전력을 얻습니다. Deloitte의 전력 및 유틸리티 조사에 따르면, 첨단 핵 기술은 향후 몇 년간 증가하는 전력 수요를 충족하는 데 가장 중요한 역할을 할 것입니다. 
7. 수소 – 수소는 다양한 자원으로부터 생산되며 연료 전지에서 사용될 때 물만을 배출합니다. 미국 에너지부(DOE)는 수소 허브 개발을 위해 70억 달러를 배정했습니다.

강력한 청정 연료로서의 수소

주기율표의 첫 번째 원소인 수소(H)는 무색, 무취, 무미이며 고도로 가연성이면서 독성이 없는 기체입니다. 또한 가장 단순하고 가벼우며 가장 풍부한 원소이기도 합니다.

하지만 수소가 매우 매력적인 이유는 연소 시 물증기만을 생성한다는 사실입니다. 특히 재생 에너지를 이용해 생산된 그린 수소는 운송 및 전력 생산과 같은 분야의 탈탄소화에 기여할 수 있습니다.

사회가 급증하는 에너지 수요 속에서, 수소는 매우 효율적인 청정 에너지 원을 제공합니다가능합니다 잠재적으로생산될 수 다양한 원천으로부터. 실제로 수소는 에너지를 운반하는 매개체이며,사용될 수 다른 원천에서 생산된 에너지를 이동, 저장 및 전달하는 데 사용됩니다.

이제 수소 연료를 생산하는 가장 일반적인 방법은:

1. 열 공정 – 고온의 스팀 개질(steam reforming) 과정을 이용해 생산되며, 스팀이 천연 가스, 디젤, 가스화 석탄, 가스화 바이오매스 및 재생 가능한 액체 연료와 같은 탄화수소 연료와 반응할 때 수소가 생성됩니다.
2. 전해 공정 – 물(H2O)을 전류를 이용해 산소와 수소로 분리합니다. 이 과정은 전해조 내부에서 일어나며, 전기가 물을 통과하면서 분자를 분리시킵니다.
3. 태양광 구동 공정 – 빛을 이용해 수소를 생산하며, 광생물학, 광전기화학, 태양열 화학 등 다양한 접근 방식을 포함합니다. 
4. 생물학적 공정 – 박테리아와 미세조류와 같은 미생물을 이용한 생물학적 반응을 통해 수소가 생산됩니다.

수소는 사회의 청정 에너지 수요를 충족시킬 매우 높은 잠재력을 가지고 있지만, 여전히 극복해야 할 과제가 존재합니다. 이러한 과제에는 대량 생산, 운송 및 저장 달성이 포함됩니다. 또한 수소 생산은 안정적이고 저렴해야 합니다.

수소 발생 반응(HER)은 가장 환경 친화적이고 지속 가능한 수소 생산 방법으로 간주됩니다. 이는 물 전기분해를 포함하는 음극 반응입니다. 

물 분해의 전기화학적 과정에서, 플래티넘, 니켈 및 기타 전이 금속과 같은 물질이 촉매로 사용되어 양성자를 수소 가스로 환원합니다.

여기서 문제는 촉매에 가장 많이 사용되는 금속인 플래티넘에서 발생합니다. 플래티넘은 매우 효율적인 촉매 성능을 제공하지만, 희소성과 비용 문제에 직면해 있습니다. 따라서 귀금속 사용을 최소화하기 위한 대체 촉매에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

수소를 청정하게 만드는 플래티넘의 역할

때때로 은과 혼동될 정도로 빛나는 은백색 금속인 플래티넘(Pt)은 순탄소 배출 제로 목표 달성에 핵심적인 역할을 합니다. 이 밀도 높고 연성이 뛰어나며 광택이 있는 금속은 고온에서도 부식에 강하고 반응성이 매우 낮습니다.

하지만 플래티넘은 매우 희귀한 금속으로, 금보다 30배 이상 희귀하며 지각에서 0.005ppm의 농도로만 존재합니다. 희소 금속인 만큼 채굴이 어렵고 비용이 많이 들어 최종 제품 가격이 상승합니다.

이 금속은 주로 남아프리카공화국에서 채굴되며, 전 세계 플래티넘 공급량의 70% 이상을 차지합니다. 그 외 러시아, 짐바브웨, 캐나다, 미국에서도 채굴됩니다.

용도에 관해 말하자면, 플래티넘은사용됩니다보석 제작에 사용되지만, 가장 중요한 것은 전자 부품 및 촉매 변환기에 활용되어 운송 배출을 감소시킵니다. 2022년에는 촉매 변환기만으로 약 85톤이 사용되었습니다. 또한 전 세계 에너지 전환에서 중요한 광물로 부상하고 있습니다. 

플래티넘은 특히 전해조에서 귀중한 역할을 합니다. 전해조는 다양한 유형이 있지만, 수소 프로젝트 개발자는 프로톤 교환막(PEM) 전해를 선호합니다. 알칼리 전해보다 효율적인 대안인 PEM 전해조는 플래티넘을 사용해 매우 고성능 촉매를 만듭니다. 

플래티넘은 PEM 연료전지에도 사용되며, 이는 PEM 전해조와 반대로 작동합니다. 수소와 산소를 분리하는 대신 플래티넘을 촉매로 사용해 두 물질을 결합합니다.

수소 연료전지는 두 전극으로 구성됩니다 — 양극(음극)과 음극(양극)이며, 전해질이 두 전극을 구분합니다. 촉매는 플래티넘과 같은 금속층으로, 양극에서 수소 분자를 양성자와 전자로 분해하고, 이 전자와 양성자는 음극으로 이동해 전류 흐름을 생성합니다.

플래티넘의 뛰어난 전도성 및 화학적 안정성은 촉매로서 매우 효율적인 이유입니다. 그들의 효율성은 연료전지에서 높은 에너지 변환율을 달성하는 핵심이며, 전통적인 에너지 원과 경쟁할 수 있게 합니다. 

탈탄소화 필요성이 계속 증가함에 따라, 플래티넘에 대한 수요는증가할 것으로 예상됩니다 플래티넘 기반 PEM 기술이 전 세계 이산화탄소 배출량 감소의 11% 달성 가능성을 보여주기 때문입니다.

따라서 전 세계적으로 이 금속에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 미국에서는 인플레이션 감소법이 저탄소 수소에 대한 세제 혜택을 포함하여 청정 수소 생산 및 연료전지 전기차 채택을 가속화하려 하고 있습니다. 유럽연합의 REPowerEU는 2030년까지 청정 수소 용량을 80GW로 두 배 늘리는 목표를 가지고 있습니다.

세계 플래티넘 투자 협의회에 따르면, 이러한 전 세계적인 추진은 2040년까지 청정 수소 생산이 플래티넘 수요의 가장 큰 원천(35%)이 될 수 있습니다.

불균형한 수요-공급 역학 외에도, 플래티넘과 같은 귀금속 사용은 높은 비용, 잠재적 열화, 환경 문제와 같은 추가적인 도전을 야기합니다. 따라서 연구자들은 플래티넘을 수소 촉매에서 제거하고 더 나은 대안을 찾기 위해 지속적으로 연구하고 있습니다.

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플래티넘 없는 촉매 만들기

플래티넘 없는 수소를 추구하는 과정에서, UNSW 시드니의 연구원들은 연구를 수행하고 있습니다 수소 연료전지에서 귀금속 사용과 관련된 문제를 해결하기 위해. 

연구원들은 일부 촉매 물질이 플래티넘보다 안정성이 낮은 이유를 이해하기 위해 새로운 기술을 개발했습니다, 이는 다른 연구원들이 새로운 물질을 개발하고미래의 수소 연료전지에서 플래티넘 없는 촉매의 전망을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.

개발된 기술에 따르면 연료전지에서 철 기반 활성 부위의 75%가 최초 10시간 운영 중 비활성화되었습니다. 이는 주로 철 활성 부위 손실과 탄소 부식이 원인입니다. 

별도의 연구¹, 위스콘신-매디슨 대학교, 코넬 대학교, 우한 대학교 연구원들은 수소 연료전지를 위한 새로운 촉매 반응 방식을 발견했습니다.

연구원들은 연료전지의 양극과 음극 전극 모두에 저렴하고 비귀금속인 니켈을 사용했습니다.설계되었습니다 질소 도핑된 탄소로 만든 2나노미터 쉘을 갖도록.

탄소와 질소 원자로 만든 그래핀 유사 쉘에 단일 니켈 원자를 삽입함으로써 산화에 대한 저항성을 부여하고수소 원자와 결합시켜효과적인 수소 산화 반응(HOR)에 필요한 이상적인 강도로 결합시켰습니다.

따라서 탄소 쉘에 둘러싸인 고체 니켈 코어 양극 촉매와 코발트-망간 음극을 사용해 연구원들은 200 mW/cm² 이상의 출력을 내는 무귀금속 수소 연료전지를 만들었습니다.

2020년, DOE의 아르곤 국립 연구소 과학자들은 개발했습니다 산소 환원 반응(ORR)에 의존하는 수소 연료전지를 위한 가장 유망한 플래티넘 없는 촉매를. 이것은 철, 질소, 탄소를 기반으로 했으며, 혼합되어 900~1100도 사이에서 열분해 과정을 거쳐 가열되었습니다.

그 후, 물질의 철 원자는 질소 원자와 결합하고 그래핀에 삽입되었습니다. 여기서 각 철 원자는 ORR이 발생할 수 있는 부위를 형성하여 전극을 보다 효율적으로 만듭니다.

비싼 플래티넘 의존도를 줄이고 수소 연료전지와 전해의 효율 및 비용 효율성을 향상시키려는 관심이 높아지는 가운데, 과학자들은 이제 수소 생산에서 플래티넘에 필적하는 성능을 가진 팔라듐 기반 나노시트 촉매를 개발했습니다.

저비용 수소를 위한 플래티넘 대체재로서의 팔라듐

그 최신² 연구는 도쿄 과학대학(TUS) 연구원들이 개발한 새로운 수소 발생 촉매, bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI)에서 나왔습니다.

팔라듐은 빛나는 은색이며, 가장 풍부한 백금족 금속 중 하나로, 밀도가 플래티넘보다 훨씬 낮습니다.

팔라듐은 플래티넘과 유사한 효율을 비용의 일부만으로 제공하여 저렴하고 지속 가능한 수소 생산을 가능하게 함으로써 청정 에너지 혁신을 가속화합니다. 

도쿄 과학대학의 니시하라 히로시 교수와 마에다 히로아키 박사가 이끄는 연구팀은 수소 발생 반응(HER) 기술에서 획기적인 진전을 이루었습니다.

HER 촉매 전극은 물 분해 과정에서 전극 표면에서 생성되는 H를생산되는 수소 가스(H2)로 전환하도록 돕습니다. 플래티넘 기반 HER 촉매의 대규모 적용을 제한하는 한계를 극복하기 위해 팀은 간단한 합성 과정을 사용해 플래티넘 촉매에 대한 고효율 대안을 제시했습니다.

팀은 팔라듐 기반 나노시트를 만들었으며,높은 촉매 활성을 달성하고귀금속 사용을 줄여 H2 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

마에다 박사는 “효율적인 HER 전기촉매 개발은 지속 가능한 H2 생산의 핵심”이며 “고전도성, 넓은 표면적, 효율적인 전자 전달을 갖춘 Bis(diimino) 금속 배위 나노시트는 유망한 후보”라고 언급했습니다. 또한 이러한 특성 외에도 나노시트의 희박한 금속 배열은 재료 사용량을 감소시킵니다. 

PdDI 나노시트인 E-PdDI와 C-PdDI는 두 가지 다른 방법을 사용해 성공적으로 개발되었습니다:

1. 전기화학적 산화
2. 기체-액체 계면 합성

활성화된 후, E-PdDI 시트는 34mV의 낮은 과전압을 보여주었으며, 이는 수소 생산에 추가 에너지가 거의 필요하지 않다는 것을 의미합니다. 이는 플래티넘의 과전압(35mV)과 일치할 뿐만 아니라, 교환 전류 밀도 2.1 mA/cm²를 가진 귀금속의 촉매 성능과도 동등합니다.

연구에 따르면 “놀라운 성능”은 Pd 금속 전극뿐 아니라 기존 MDI(M=Ni, Co, Cu) 나노시트를 능가하며, 매우 적은 양의 귀금속만 사용했음에도 이러한 뛰어난 성과를 달성했다고 밝혔습니다.

이러한 결과를 통해 E-PdDI는 현재까지 개발된 가장 효율적인 HER 촉매로, 플래티넘에 대한 저비용 대안으로 유망합니다.

장기 안정성은 촉매의 핵심 측면 중 하나인데, PdDI 나노시트는 12시간 동안 산성 조건에서도 완전한 형태를 유지하여 실제 수소 생산 시스템에 적용 가능함을 입증했습니다.

“우리 연구는 H2 생산을 보다 저렴하고 지속 가능하게 만드는 데 한 걸음 더 다가가며, 청정 에너지 미래를 달성하기 위한 중요한 단계입니다.”

– 마에다 박사

희소하고 비용이 많이 드는 플래티넘 의존도를 줄임으로써, bis(diimino)팔라듐 배위 나노시트(PdDI)는 UN 지속가능 개발 목표(SDGs)와도 일치하여 저렴하고 청정한 에너지, 혁신 및 인프라를 촉진합니다. 

특히, 이 연구는실험실 실험에만 국한되지 않습니다. PdDI 나노시트의 비용 효율성, 확장성 및 향상된 활성은 대규모 에너지 저장 시스템, 수소 연료전지 및 산업용 수소 생산에 매우 유용합니다.

또한, PdDI는 플래티넘 기반 촉매와 관련된 채굴 배출을 감소시켜 지속 가능한 수소 경제 전환을 가속화할 수 있습니다. TUS 팀의 다음 단계는 PdDI 나노시트를 실제 적용을 위해 최적화하는 것입니다.

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투자 가능한 혁신 기업 

이제 청정 에너지 기술을 발전시키고 플래티넘 없는 수소 촉매 개발에 기여하는 분야의 주요 기업을 살펴보겠습니다.

Plug Power Inc.

시가총액 15억 4천만 달러 규모의 이 회사는 수소 연료전지 시스템을 전문으로 하며 비용 절감 및 효율성 향상을 위해 비플래티넘 촉매를 연구하고 있습니다.

작성 시점 기준, PLUG 주가는 $1.71이며 연초 대비 21.6% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -2.54, P/E(TTM)는 -0.65입니다.

2024년 4분기, Plug Power (PLUG ) 은 보고했습니다 $191.5 million의 매출과 122%의 총 마진 손실을 기록했으며, 영업 현금 흐름은 전년 대비 46% 개선되었습니다. 연말에는 2억 달러 이상의 무제한 현금을 보유했습니다. 최근 16억 6천만 달러 규모의 DOE 대출 보증 프로그램을 마감했습니다. 

이 기간 동안 Plug Power의 전해조 사업은 지속적으로 확장되었으며, 수소 사업도 강화되었습니다.

“2024년은 Plug가 이니셔티브를 추진하고 수소 경제를 앞당기는 데 큰 진전을 이루며 강력한 실행력을 보여준 해였습니다.”

– CEO Andy Marsh

Plug Power 최신 소식

결론

전 세계 인구가 빠르게 증가하고 있으며, 이는예상됩니다 2080년대 중반까지 약 103억 명에 이를 것으로 예상됩니다. 이로 인해 온실가스 배출 문제가 더욱 심각해질 것입니다. 이는 화석 연료 에너지 의존도를 줄이고 청정하고 안전하며 풍부하고 환경 친화적인 에너지원을 채택해야 할 필요성을 만들고 있습니다.

수소 에너지는 청정하고 지속 가능한 미래를 위한 핵심 동력으로 부상했으며, 화석 연료에 대한 무배출 대안을 제공합니다. 그러나 대규모 수소 생산은 여전히 비용이 많이 드는 플래티넘 기반 촉매에 크게 의존하고 있어 산업에 큰 비용 부담을 안겨줍니다.

귀중한 플래티넘을 PdDI 나노시트로 대체함으로써, 최신 연구는 전극 생산 비용 효율적인 혁신을 달성했으며 전극 공급 산업, 수소 생산 및 자동차 분야에 큰 성과를 가져왔습니다.

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참고 연구:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082