수전해 촉매란 - 종류와 귀금속 문제, 성능 판단 기준 (2026)
안녕하세요, 음이온 교환막(AEM) 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.
오늘은 수전해 촉매가 무엇이고 방식마다 왜 다른 소재를 쓰는지, 그리고 성능 수치를 어떻게 읽어야 하는지를 정리합니다.
수전해 장비 자료를 받아 보면 촉매 소재가 적혀 있습니다. 이리듐이라고 적힌 것도 있고 니켈이나 철 계열이라고 적힌 것도 있는데, 이 차이가 무엇을 뜻하는지는 자료에 설명돼 있지 않은 경우가 많습니다.
한국재료연구원은 촉매 성능이 수소 생산 비용과 직결된다고 설명합니다. 소재 이름 하나가 실제로는 값과 전기 사용량으로 이어진다는 뜻입니다.
HydroXpand는 이 문제를 소재 단계부터 직접 다루면서 청정수소의 생산 단가를 낮추는 일을 하고 있습니다. 이번 글에서는 많은 분들이 궁금해하시는 수전해 촉매를 하나씩 살펴보겠습니다.
수전해 촉매, 핵심만 먼저
수전해에서 촉매는 반응을 대신 해주는 물질이 아니라 반응에 드는 전압을 낮추는 물질입니다.
물이 전기분해되는 이론상의 전압은 1.23V이지만 실제로는 그보다 높은 전압을 걸어야 수소가 나오며, 이 초과분을 과전압이라고 합니다.
과전압이 클수록 에너지를 더 소모하므로, 촉매가 하는 일은 이 초과분을 깎는 것입니다.
수전해에는 산소가 나오는 반응과 수소가 나오는 반응이 따로 있고, 산소 쪽 과전압이 수소 쪽보다 5배에서 10배 높습니다.
전해질이 산성이냐 알칼리냐에 따라 쓸 수 있는 소재가 갈립니다. 산성에서는 많은 금속이 부식되어 귀금속을 써야 하고, 알칼리에서는 니켈이나 철 같은 비귀금속을 쓸 수 있습니다.
이리듐은 백금보다 약 20배 희소하고 산지가 편중되어 있어, 수전해 설비가 커질수록 공급과 가격이 쟁점이 됩니다.
촉매 성능은 수치 하나로 판단하기 어렵습니다. 과전압과 전류밀도, 내구성이 서로 맞바꾸는 관계에 있기 때문입니다.
수전해 촉매와 전기 사용량
물은 그냥 두면 수소와 산소로 갈라지지 않습니다. 전기를 흘려야 갈라지는데, 이때 필요한 전압이 이론적으로 정해져 있습니다. 광주과학기술원 연구팀의 설명에 따르면 그 값은 1.23V입니다.
문제는 실제 장치에서 1.23V만 걸어서는 수소가 나오지 않는다는 점입니다. 반응이 실제로 일어나려면 이론값보다 높은 전압을 걸어야 하고, 이 초과분을 과전압이라고 부릅니다. 같은 출처는 과전압이 결국 많은 에너지를 소모하게 만든다고 설명합니다.
수전해 촉매는 이 초과분을 줄이는 물질입니다. 반응 자체는 전기가 일으키고, 촉매는 그 반응이 더 낮은 전압에서 일어나도록 돕습니다. 촉매가 좋을수록 같은 양의 수소를 만드는 데 걸어야 하는 전압이 내려가고, 전압이 내려가면 그만큼 전기를 덜 씁니다.
장비 자료에 촉매 소재가 명시되는 이유가 여기에 있습니다. 그 소재가 곧 이 설비가 수소를 만드는 데 전기를 얼마나 쓸지의 출발점이기 때문입니다.
수전해 촉매가 필요한 두 반응
수전해에서는 두 가지 반응이 동시에 일어납니다.
한쪽 전극에서는 수소가 나오고 반대쪽 전극에서는 산소가 나옵니다. 앞의 것을 수소 발생 반응, 뒤의 것을 산소 발생 반응이라고 하며 영문 약자로 각각 HER과 OER로 씁니다.
두 반응은 난이도가 같지 않습니다. 광주과학기술원 연구팀의 설명에 따르면 산소가 나오는 쪽은 수소가 나오는 쪽보다 과전압이 5배에서 10배 높습니다. 그래서 같은 연구팀은 산소극 촉매의 과전압을 낮추는 것이 효율적인 그린수소 생산의 핵심 기술이라고 설명합니다.
한국재료연구원도 산소 발생 반응을 수전해 효율과 내구성을 좌우하는 핵심 반응으로 규정합니다.
장비 자료나 기술 설명에서 산소 발생 반응 또는 OER이라는 표현을 만나셨다면, 전체 전압에서 가장 큰 몫을 차지하는 쪽을 가리키는 말이라고 보시면 됩니다.
수전해 촉매 종류가 방식마다 갈리는 이유
저온에서 돌아가는 수전해는 알칼라인 수전해와 PEM 수전해, AEM 수전해로 나뉩니다. 세 방식은 쓰는 촉매가 서로 다른데, 그 이유는 성능 선택의 문제가 아니라 전해질의 성질입니다.
PEM 수전해는 산성 환경에서 돌아갑니다. 산성에서는 많은 금속이 부식되어 버티지 못합니다. 이리듐이 상용 PEM 설비에 쓰이는 이유가 여기에 있습니다. 이리듐은 산성 조건에서 안정적이고 다른 금속보다 과전압이 낮습니다. 백금도 함께 쓰입니다. PEM이 귀금속을 쓰는 것은 선택이 아니라 조건에 따른 결과입니다.
알칼라인 수전해와 AEM 수전해는 알칼리 환경에서 돌아갑니다. 한국재료연구원은 음이온 교환막 수전해가 알칼리 조건에서 구동되기 때문에 값비싼 귀금속 대신 비교적 저렴한 비귀금속 촉매를 적용할 수 있는 구조적 장점이 있다고 설명합니다. 여기서 쓰이는 대표적인 비귀금속이 니켈과 철입니다.
이 표에서 읽어야 할 것은 소재 이름이 아니라 조건과 소재가 묶여 있다는 사실입니다. 어느 방식을 검토하시든 촉매 소재는 그 방식이 정해지는 순간 함께 정해지며, 개별 협상으로 바꿀 수 있는 항목이 아닙니다.
이리듐과 백금이 쟁점이 되는 이유
귀금속 촉매의 문제는 값만이 아닙니다. 얼마나 있느냐가 함께 걸립니다.
이리듐은 백금보다 약 20배 희소한 금속입니다. 전 세계 공급량이 연간 약 7.8톤 수준인데, 이 안에는 점화 플러그와 내열 용기, 아세트산 생산에 쓰이는 몫이 이미 들어가 있습니다. 산지도 남아프리카 등 특정 지역에 몰려 있습니다.
여기에 수전해가 새로 얹힙니다. PEM 전해조는 용량 1GW당 약 400kg의 이리듐이 필요합니다. 설비가 GW 단위로 늘어나면 수요도 그만큼 늘어나며, 2030년까지 전기분해 관련 수요만으로 연간 공급량과 맞먹을 수 있다는 전망이 나옵니다. PEM 설비의 값과 공급 안정성이 이 금속 하나에 묶여 있다는 뜻입니다.
다만 공급이 부족해진다고 단정하기는 이릅니다. 다른 용도에서 이리듐을 대체하고, 설비당 사용량을 줄이고, 재활용을 늘리는 세 가지를 조합하면 감당할 수 있다는 분석도 있습니다. 촉매 소재 기업 존슨 매티는 2030년까지 1GW당 80kg 수준을 실현 가능하다고 봅니다. 400kg에서 80kg으로 내려간다면 그림이 달라집니다.
이 수치들은 세계백금투자협회가 2023년에 낸 자료에 근거합니다. 백금족 금속 투자를 다루는 기관이므로 이 시장의 수요가 유지되는 것이 기관의 이해와 맞닿아 있다는 점은 감안해서 읽으실 필요가 있습니다.
귀금속 문제를 공급 대란으로 읽으면 과장이고, 없는 문제로 읽으면 축소입니다. 정확히는 사용량을 계속 깎아야만 유지되는 구조입니다.
수전해 촉매 기술이 가는 두 갈래
지금 촉매 기술은 두 방향으로 움직이고 있습니다. 귀금속 사용량을 깎는 쪽과 귀금속을 아예 쓰지 않는 쪽입니다.
깎는 쪽은 성과가 빠릅니다. KIST 연구팀은 2024년에 이리듐 사용량을 상용 촉매의 20분의 1까지 낮추면서 성능은 오히려 끌어올린 결과를 내놓았습니다. 사용량을 줄이면 대개 내구성이 함께 무너지는데, 촉매를 얹는 지지체를 바꿔 이 문제를 완화한 사례입니다. 2026년 2월에는 같은 기관의 다른 연구팀이 이리듐을 덩어리가 아니라 원자 단위로 흩어 배치하는 방식으로 사용량을 기존의 1.5% 이내까지 낮췄습니다.
쓰지 않는 쪽에서는 한국재료연구원이 국립창원대학교와 함께 코발트와 철 기반의 비귀금속 촉매를 개발했습니다. 다만 이쪽은 아직 과제가 남아 있습니다. 알칼리 환경에서 장시간 안정적으로 작동하는 비귀금속 산소 발생 촉매가 부족해, 실제 시스템에서는 여전히 귀금속 의존을 해소하지 못했다는 것이 개발 주체 스스로의 진단입니다. 니켈이나 철 같은 전이금속 촉매는 오래 돌리면 구조가 무너지거나 금속이 녹아 나오거나 활성이 떨어집니다.
두 방향에서 공통으로 확인되는 것이 하나 있습니다. 검증 무대가 음이온 교환막 수전해 시스템이라는 점입니다. 1.5% 사례는 이 시스템에서 300시간 넘게 연속 운전한 뒤에도 성능 저하가 거의 없었고, 비귀금속 사례도 단위 셀에 직접 적용해 실험실 수준의 반쪽 전지 평가를 넘어 실제 환경에서 확인됐습니다. 귀금속에서 벗어나려는 시도가 알칼리 조건에서 이뤄지고 있다는 뜻입니다.
도입을 검토하시는 입장에서 이 두 갈래가 뜻하는 바는 분명합니다. 촉매 소재는 앞으로 몇 년 사이에 계속 바뀔 영역이고, 지금 시점에 완전히 정리된 답은 없습니다. 그래서 공급사가 어느 방향에 서 있는지, 그리고 그 방향으로 실제 시스템에서 무엇을 몇 시간 검증했는지를 확인하는 편이 낫습니다.
수전해 촉매 성능 수치를 읽는 기준
촉매 성능을 나타내는 수치는 크게 세 가지입니다.
과전압입니다. 반응을 일으키는 데 얼마나 적은 초과 전압이 드는지를 나타냅니다. 낮을수록 전기를 덜 씁니다.
전류밀도입니다. 특정 전압에서 단위 면적당 얼마나 많은 전류가 흐르는지를 나타냅니다. 높을수록 같은 크기의 설비에서 더 많은 수소가 나옵니다.
내구성입니다. 오래 돌렸을 때 성능이 얼마나 유지되는지를 나타냅니다. 귀금속에서는 산화되면서 금속이 녹아 나오는 용출이, 비귀금속에서는 구조가 무너지는 문제가 주로 걸립니다.
중요한 것은 이 셋이 독립적이지 않다는 점입니다. 촉매 사용량을 줄이면 무게당 성능은 좋아 보이지만 내구성을 함께 지키기는 어렵고, 전압을 높이면 전류밀도는 오르지만 역시 오래 버티기 어려워집니다. 그래서 어느 한 값이 좋다는 수치만으로는 판단이 서지 않습니다.
실무에서 확인하실 항목은 두 가지로 좁혀집니다.
그 수치가 어떤 조건에서 측정된 값인지, 그리고 그 성능이 몇 시간 동안 유지된 것으로 확인됐는지입니다. 앞서 소개한 사례에서 300시간 연속 운전이나 실제 단위 셀 적용 검증이 함께 언급되는 것도 같은 이유입니다.
수전해 촉매 자주 묻는 질문
Q1. 수전해 촉매는 왜 필요한가요?
물이 전기분해되는 이론상의 전압은 1.23V이지만 실제 장치에서는 그보다 높은 전압을 걸어야 반응이 일어납니다. 이 초과분을 과전압이라고 하며, 촉매는 과전압을 낮춰 같은 양의 수소를 더 적은 전기로 만들게 합니다.
Q2. 산소 발생 반응 촉매가 특히 중요한 이유는 무엇인가요?
산소가 나오는 쪽의 과전압이 수소가 나오는 쪽보다 5배에서 10배 높기 때문입니다. 전체 전압에서 차지하는 몫이 커서 이쪽을 개선하는 편이 효율에 미치는 영향이 큽니다.
Q3. 이리듐 대신 값싼 금속을 쓰면 되지 않나요?
전해질이 무엇이냐에 달려 있습니다. PEM 수전해는 산성 환경이라 많은 금속이 부식되어 이리듐 같은 귀금속을 써야 합니다. 알칼리 환경에서 돌아가는 알칼라인 수전해와 AEM 수전해는 니켈이나 철 같은 비귀금속을 쓸 수 있습니다.
Q4. 비귀금속 촉매는 이미 상용화됐나요?
알칼리 조건에서 비귀금속을 쓸 수 있다는 점은 확립돼 있지만, 오래 돌렸을 때의 내구성 확보가 아직 과제로 남아 있습니다. 한국재료연구원은 음이온 교환막 수전해 단위 셀에 직접 적용해 성능과 내구성을 함께 검증한 결과를 2026년 2월에 발표했습니다.
Q5. 촉매 성능이 좋다는 수치는 어떻게 읽어야 하나요?
한 가지 값만으로 판단하기 어렵습니다. 과전압과 전류밀도, 내구성이 서로 맞바꾸는 관계에 있기 때문입니다. 어떤 조건에서 측정한 값인지와 몇 시간 동안 유지됐는지를 함께 확인하시는 편이 실제 운전에 가깝습니다.
마치며
수전해 촉매는 물을 쪼개는 데 드는 초과 전압을 깎는 물질이고, 그 초과 전압이 곧 전기 사용량으로 이어집니다.
어떤 촉매를 쓸 수 있는지는 전해질이 산성이냐 알칼리냐에서 갈리며, 귀금속을 쓰는 쪽은 사용량을 계속 깎아야 하는 과제를, 비귀금속을 쓰는 쪽은 오래 버티게 만들어야 하는 과제를 안고 있습니다.
HydroXpand는 알칼리 조건에서 구동되는 AEM 수전해 기술로 청정수소의 생산 단가를 낮추는 문제에 집중하고 있습니다.
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