솔직히 처음에 수소 에너지 얘기를 들었을 때는 "전기차보다 왜 이렇게 느리게 퍼지는 거지?"라는 의문이 먼저 들었습니다. 알고 보니 문제의 핵심은 수소 자체가 아니라 수소를 만드는 데 드는 비용, 그리고 그 비용을 좌우하는 촉매 소재에 있었습니다. 특히 국내 연구팀이 '사형 선고를 받은 금속'이라 불리던 루테늄으로 백금을 대체하는 데 성공했다는 내용을 접하고 나서, 제가 그동안 수소 기술을 너무 단순하게 보고 있었다는 걸 깨달았습니다.
루테늄 촉매 — "쓸 수 없다"던 금속이 왜 다시 주목받나
수전해(水電解)란 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분리하는 기술입니다. 쉽게 말해 전기로 수소를 직접 만드는 방식인데, 재생에너지와 연결하면 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있어 그린수소의 핵심 경로로 꼽힙니다. 여기서 촉매는 전기를 얼마나 효율적으로 수소로 바꾸느냐를 결정하는 소재입니다.
일반적으로 백금이 수전해 촉매의 표준처럼 여겨지지만, 제가 관련 자료를 파고들어 보니 상황이 생각보다 복잡했습니다. 백금은 연 생산량이 200톤 미만에 불과한 희소 자원인 데다, 전해질 용액에 녹아들었다가 다시 뭉치는 성질 때문에 시간이 지날수록 성능이 떨어집니다. 수요는 연료전지, 태양전지 등 산업 전반에서 폭발적으로 늘고 있는데, 공급은 제한적이니 상업화 자체가 막히는 구조였습니다.
백종범 박사팀이 주목한 소재가 루테늄(Ru)입니다. 루테늄은 백금과 화학적 성질이 비슷해 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)에서 높은 활성을 보이지만, 문제가 하나 있었습니다. 촉매로 쓰려면 입자를 잘게 쪼개야 활성 표면적이 넓어지는데, 루테늄은 잘게 쪼개는 순간 입자끼리 달라붙어 버립니다. 열 개를 잘라도 하나로 뭉쳐버리면 활성이 10분의 1로 줄어드는 셈이니, 촉매로서 자격이 없다는 평가를 받아온 이유가 있었던 겁니다.
연구팀이 찾아낸 해법은 지지체(支持體, support) 구조에 있었습니다. 지지체란 촉매 입자가 흩어지지 않도록 붙잡아 두는 틀 역할을 하는 물질입니다. 판에 미세한 구멍을 뚫어 루테늄 입자가 각자 칸막이 안에 머물게 만든 것인데, 이렇게 하면 입자끼리 물리적으로 접촉할 수 없어 뭉침 현상이 원천 차단됩니다. 제가 이 대목을 처음 읽었을 때는 "이렇게 단순한 원리가 왜 지금껏 안 됐지?"라는 생각이 들었지만, 나노미터 수준의 구멍을 균일하게 뚫는 제조 기술 자체가 핵심 노하우라는 걸 나중에 이해했습니다.
실험 결과, 루테늄을 코팅한 전극은 촉매가 없는 전극 대비 수소 생산 효율이 약 두 배 상승했고, 건전지 1.5V 수준의 낮은 전압에서도 수소가 활발히 발생하는 모습이 확인됐습니다. 이 성과는 국제 학술지에 게재되며 백종범 박사를 세계가 주목하는 과학자 반열에 올려놨습니다(출처: KTV 국민방송 유튜브).
한 가지 짚고 싶은 건, 루테늄 역시 희소 금속이라는 점입니다. 백금을 완전히 대체하는 비귀금속 촉매와는 구분해야 합니다. 다만 백금 대비 가격이 낮고, 무엇보다 뭉침 문제를 해결함으로써 장기간 성능이 유지된다는 내구성 측면의 돌파구를 연 것이 이 연구의 진짜 가치라고 봅니다.
- 수전해 : 물을 전기분해해 수소를 생산하는 방식. 재생에너지와 연결 시 그린수소 생산 가능
- 루테늄(Ru) : 백금과 유사한 화학 성질을 가진 희소 금속. 기존에는 입자 뭉침 문제로 촉매 활용이 어려웠음
- 지지체 구조: 촉매 입자를 고정해 뭉침을 방지하는 기술. 이 연구의 핵심 혁신 포인트
- 백금 연 생산량: 전 세계 200톤 미만. 수요 대비 공급 부족이 상업화의 구조적 장벽
▶ 요약 : 루테늄 입자의 뭉침 문제를 지지체 구조로 해결해, 백금보다 저렴하면서 장기 성능이 유지되는 수전해 촉매를 국내 연구팀이 개발했습니다.
백금 대체의 현실 — 실험실 성과와 상용화 사이의 간극
수소 촉매 연구를 들여다보면서 제가 가장 크게 느낀 건, 논문에서 "백금을 넘어섰다"는 표현이 등장해도 실제 상용화까지는 넘어야 할 산이 많다는 점입니다. 제 경험상 이런 기술 기사를 볼 때 "그래서 언제 내 차에 쓰이나요?"를 기준으로 보면 훨씬 냉정하게 평가할 수 있습니다.
현재 연구되고 있는 백금 대체 경로는 크게 세 갈래입니다. 첫 번째는 루테늄처럼 귀금속을 유지하되 백금보다 저렴한 소재로 교체하는 방식, 두 번째는 몰리브덴 이황화물(MoS₂)이나 니켈·몰리브덴 합금(NiMo)처럼 귀금속 자체를 쓰지 않는 비귀금속 촉매, 세 번째는 백금 사용량을 10분의 1 수준으로 줄이는 원자 제어 기술입니다. 2026년 5월 Science지에 발표된 서울대·스탠퍼드대 공동연구가 세 번째 방향의 대표 사례입니다(출처: 과학기술정보통신부).
일반적으로 비귀금속 촉매가 상업화에 가장 유리할 것이라고 생각하기 쉽지만, 저는 조금 다르게 봅니다. 비귀금속 촉매는 알칼라인 수전해 환경에서는 유망하지만, 산성 환경인 PEM 수전해(양성자교환막 수전해) 장치에는 적용이 어렵습니다. PEM 수전해란 고분자 막을 전해질로 쓰는 방식으로, 고전류 밀도 운전이 가능해 차세대 설비로 각광받는 기술입니다. 문제는 이 산성 환경에서 니켈·철 기반 촉매가 빠르게 부식된다는 것입니다.
내구성 문제는 수치로도 확인됩니다. 한국재료연구원(KIMS)이 2026년 발표한 백금·니켈 합금 촉매 연구에서는 실제 수소 생산 장치에 가까운 규모로 3,000시간 연속 운전 후 성능 저하가 2% 미만이었다고 보고했습니다. 이 연구는 백금을 없애는 게 아니라 백금이 포함된 촉매의 수명을 늘리는 방향인데, 솔직히 저는 이쪽이 단기적으로 더 현실적인 접근이라고 봅니다. 새 소재를 발명하는 것보다 이미 검증된 장치에 적용 가능한 개선이 훨씬 빠르게 산업으로 연결되기 때문입니다.
수소의 수송 비용 문제도 함께 생각해야 합니다. 수소는 가스 상태로는 부피가 너무 크고, 액화하려면 영하 253도까지 냉각해야 하는데 이 과정 자체에 막대한 에너지가 소모됩니다. 한국기계연구원이 2019년부터 추진한 상용급 액체수소 플랜트 연구단이 2023년까지 핵심 기술 국산화를 목표로 삼은 것도 이 맥락입니다. 결국 촉매 기술이 아무리 발전해도 저장·운송 인프라가 따라오지 않으면 그린수소의 경제성은 반쪽짜리에 그칩니다.
자동차 응용 사례도 인상적이었습니다. 루테늄 기반 전극을 여러 장 쌓아 만든 수소·산소 발생 장치를 차량 엔진에 연결하면, 수소가 화염 속도를 높여 연료의 완전연소를 유도합니다. 실제 테스트에서 자동차 검사소 매연 판정값이 0으로 나온 사례가 있었는데, 이게 예상 밖이었습니다. 미래 수소차만의 이야기가 아니라 지금 당장 도로 위를 달리는 디젤 차량의 미세먼지 문제에도 적용할 수 있다는 점에서 실용성이 상당합니다.
촉매 선택 시 반드시 구분해야 할 기준
수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)은 같은 수전해 장치 안에서도 서로 다른 전극에서 일어납니다. HER 전극에는 백금·루테늄계 촉매가, OER 전극에는 이리듐(Ir)계 촉매가 주로 쓰입니다. 이리듐은 백금보다도 희소해 공급망 리스크가 더 크기 때문에, 저이리듐 OER 촉매 개발이 별도의 연구 과제로 진행되고 있습니다. "백금 대체"라는 말을 들을 때 HER인지 OER인지 구분하지 않으면 기술의 실제 적용 범위를 오해하기 쉽습니다. 제가 처음 이 분야를 공부할 때 가장 헷갈렸던 부분이기도 합니다.
▶ 요약 : 백금 대체 기술은 귀금속 교체·비귀금속 전환·사용량 감축 세 갈래로 나뉘며, 실험실 성과보다 장기 내구성과 수전해 방식별 적합성이 상용화의 실제 관건입니다.
루테늄 촉매, 수전해 등 자주 묻는 질문
Q. 루테늄 촉매가 백금보다 무조건 좋은 건가요?
A. 꼭 그렇지는 않습니다. 루테늄은 백금보다 저렴하고 뭉침 문제를 해결하면 장기 내구성이 뛰어나지만, 루테늄 역시 희소 금속이라 공급 안정성 면에서는 완전한 해결책이 아닙니다. 백금을 완전히 없애는 비귀금속 촉매와는 구분해서 봐야 하고, 수전해 방식에 따라 적합한 촉매가 달라집니다.
Q. 수전해로 만든 수소가 진짜 친환경인가요?
A. 수전해 자체는 물과 전기만 사용하지만, 그 전기가 어디서 왔느냐에 따라 탄소 배출량이 달라집니다. 태양광·풍력 같은 재생에너지 전기를 쓸 때만 진정한 그린수소가 됩니다. 석탄 발전 전기로 수전해를 돌리면 환경 이점이 크게 줄어들기 때문에, 촉매 기술만큼이나 전력 조달 구조가 중요합니다.
Q. 음식물 쓰레기에서 수소를 만든다는 게 실제로 가능한가요?
A. 가능합니다. 음식물 쓰레기 매립지에서 발생하는 바이오가스에는 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)가 포함되는데, 플라즈마 탄소 전환 장치를 이용해 이 두 가스를 반응시키면 수소와 일산화탄소의 혼합 가스(합성가스)를 얻을 수 있습니다. 대구시의 파일럿 플랜트 기준으로 연간 이산화탄소 4,000톤 처리에 수소 460톤 생산이 가능하다고 보고됐습니다. 온실가스를 줄이면서 동시에 수소를 얻는다는 점에서 그린수소의 한 방식으로 평가받고 있습니다.
Q. 고체산화물 연료전지(SOFC)는 일반 연료전지랑 뭐가 다른가요?
A. 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 세라믹 소재를 전해질로 사용해 산소 이온을 전도하는 방식입니다. 일반 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 수소 이온을 이동시키는 것과 달리, SOFC는 도시가스를 직접 연료로 쓸 수 있어 내부에서 스스로 수소를 생성합니다. 발전 효율이 51% 이상으로 높고, 발생하는 열도 온수·난방에 활용할 수 있어 소형 열병합 발전기로 주목받고 있습니다.
결론
수소 기술을 공부하면서 제가 바꾼 생각이 하나 있습니다. 수소 경제의 속도를 결정하는 건 수소 그 자체가 아니라, 수소를 만드는 데 드는 비용과 그 비용의 핵심인 촉매 소재라는 것입니다. 루테늄 촉매의 뭉침 문제 해결처럼, 때로는 완전히 새로운 소재를 찾는 것보다 기존 소재의 단점을 구조적으로 극복하는 방식이 더 빠른 상용화로 이어질 수 있습니다.
다만 실험실에서 백금 성능을 넘어섰다는 발표와 실제 수전해 장치에서 수천 시간 안정적으로 작동하는 것은 전혀 다른 이야기입니다. 제 판단으로는 단기적으로 루테늄·니켈·몰리브덴 기반 촉매의 내구성 검증 데이터, 중기적으로 PEM 수전해용 저이리듐 촉매의 산업 적용 여부가 수소 경제 경쟁력의 실질적 지표가 될 것으로 보입니다. 관련 기술 동향을 꾸준히 살펴보고 싶다면 국내 연구 성과를 과학기술정보통신부 공식 채널에서 확인해 보시는 것도 좋은 방법입니다.