- 고분자 전해질막 수전해 활용, 수소 생산능력·내구성 획기적 개선
- Energy & Environmental Science 7월 13일자 온라인 게재
국내 연구진이 친환경 그린 수소 생산의 ‘Key’로 일컬어지는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 계기를 마련했다.
중앙대학교는 융합공학부 김수길 교수 연구팀이 차세대 그린 수소 생산의 핵심기술로 손꼽히는 고분자 전해질막 수전해에 필요한 전극의 성능과 내구성을 획기적으로 끌어올리는데 성공했다고 20일 밝혔다.
물을 전기분리해 수소와 산소를 생산하는 수전해 기술은 친환경적인 수소 생산 방식으로 각광받고 있다. 수전해는 재생 에너지에서 발생한 전기를 이용해 물을 분해하는 방식으로 미래 에너지원인 수소를 생산하기에 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않는다.
여러 수전해 시스템 중에서도 특히 양성자 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Water Electrolysis) 기술에 대한 관심이 높다. 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하며, 재생 에너지의 출력 변동성에 대응하기 쉽다는 뚜렷한 장점을 지니고 있기 때문이다.
다만, 수전해 시스템의 산화극(산소극) 촉매로 사용되는 이리듐의 채굴량이 적고 가격이 매우 비싸다는 점이 문제다. 또한, 수소극에 비해 상대적으로 반응속도가 늦고, 부식 환경 하에서 장기 안정성을 확보하기 어렵다는 점은 수전해 시스템의 상용화를 어렵게 만드는 난제로 여겨져 왔다.
김수길 교수 연구팀은 KAIST 이진우 교수와의 공동 연구를 통해 전기도금과 전기화학적 산화방법을 적용한 3차원 구조 민들레 포자 형태(Dandelion-Spore structure)의 이리듐-니켈 복합 전극을 제작해 문제를 해결했다.
이번 연구 성과의 골자는 새롭게 개발한 촉매를 활용할 시 기존 상용 촉매 대비 훨씬 적은 에너지만으로도 더 많은 양의 수소를 생산해 낼 수 있다는 점이다. 새롭게 개발된 촉매는 산화구조가 제어된 극소량의 다공성 이리듐 산화물 나노 골격 구조 내에 합금 코어가 존재하는 형태를 띤다. 전기화학적 분석과 X-선 흡수 분광법 등을 이용한 분석을 실시한 결과 이리듐의 나노 골격 구조, 니켈과의 전자 구조적 시너지 효과로 인해 촉매의 활성과 내구성이 획기적으로 개선됐음이 규명됐다.
새롭게 개발된 전극 촉매는 세계최고 수준의 수소 생산능력을 보이는 것으로 나타났다. 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 한 수전해 셀 평가 결과 수소극과 산소극에 새롭게 개발한 촉매를 동시 적용한 경우 2V의 작동전압에서 단위 면적당 6.5A의 수소 생산능력을 기록했다.
탁월한 내구성도 장점이다. 작동 전류 2A/cm2라는 가혹한 조건 속에서도 장시간 안정적 셀 성능을 구현했다. 산성 조건뿐만 아니라 중성 및 알칼리 조건에서도 우수한 성능을 나타내며, 알칼리 수전해(Alkaline Water Electrolysis)에도 적용할 수 있는 것으로 확인됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자 지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업(연구단장 KIST 장종현)의 지원을 통해 이뤄졌다. 중앙대 대학원 융합공학부 여경림 학생이 제1저자, KAIST 김호영 박사와 이진우 교수가 공동 교신 저자, 포항 가속기 연구소의 이국승 박사가 공동 저자로 참여했다.
보다 자세한 연구 성과는 ‘양성자 교환막 수전해용 고활성/고내구성 3차원 민들레 포자 구조의 이리듐 기반 자가 지지형 촉매(Highly active and stable 3D dandelion spore-structured self-supporting Ir-based electrocatalyst for proton exchange membrane water electrolysis fabricated using structural reconstruction)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 피인용도(Impact Factor) 39.714를 기록한 세계적 권위의 에너지-환경 분야 국제 학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 7월 13일자로 온라인 게재됐다.
김수길 교수는 “이번 연구를 통해 양성자 교환막 수전해 시스템 상용화에 걸림돌로 작용했던 반응 속도 문제를 획기적으로 개선했다. 또한, 기존 상용 촉매의 높은 가격과 낮은 안정성 문제도 동시에 해결할 수 있었다”며, “새롭게 개발한 전극 촉매는 수전해의 상용화를 앞당기고 수소 생산 단가를 낮추는 계기가 될 것”이라고 말했다.
