▲ 소수성을 띄는 결정성 탄소 위에 담지된 니켈-철-코발트 층상 이중산화물 이미지와 결정성 카본의 이미지

국내 연구진이 수전해 과정에서 부식 문제로 외면받았던 탄소의 활용과 저렴한 촉매를 사용해우수한 수전해 성능과 내구성을 확보한 장치를 구현해 그린수소 생산 단가를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 탄소 지지체를 도입해 우수한 성능 및 내구성을 갖는 음이온 교환막 수전해 장치를 구현함으로써 그린수소 생산 단가를 대폭 줄이는 데 성공했다고 밝혔다.

국제에너지기구인 IEA에 따르면 2050년 전 세계 수소 수요는 5억 3천만 톤으로 2020년 대비 약 6배 증가할 것으로 예상된다. 현재 가장 일반적인 수소 생산 방식은 천연가스와 수증기를 반응시키는 것으로, 생산과정에서 이산화탄소를 발생시키기 때문에 그레이 수소라 부르며 전체 수소 생산량의 약 80%를 차지한다. 이와 대비되는 그린수소는 전기에너지로 물을 분해해 생산하기 때문에 이산화탄소 배출이 없다. 문제는 이리듐 산화물 등과 같은 값비싼 귀금속 촉매이다.

KIST 유성종 박사 연구팀은 이리듐보다 저렴한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에서 합성해 음이온 교환막 수전해의 산소 발생 반응 촉매를 개발했다.

탄소 지지체는 높은 전기전도도와 표면적을 갖고 있어서 다양한 촉매의 지지체로 활용됐으나, 수전해에 필요한 높은 전압과 물이 많은 환경에서는 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다.

연구팀은 음이온 교환막 수전해에서 탄소의 부식을 최소화하기 위해 소수성 탄소 지지체와 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 촉매가 면대면으로 접합하고 있는 층상구조를 고안한 결과, 탄소의 부식을 일으키는 물과의 상호작용이 줄어들어 부식 과정에서 발생하는 이산화탄소가 절반 이하로 적게 검출됨을 확인했다.

성능평가 결과, 이번에 개발한 탄소 지지체 기반의 수전해 촉매의 전류밀도가 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 10.29A/cm-2를 나타내 상용촉매인 이리듐 산화물 촉매의 전류밀도 9.38A/cm-2보다 크다는 사실을 확인했으며 약 550시간의 장기 내구성을 동시에 확보했다.

또한, 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체의 소수성이 수전해 장치의 성능을 결정하는 하나의 주된 요인임을 처음으로 규명했다.

KIST 유성종 박사는 “이번 연구성과는 기존에 부식 문제로 사용이 제한적이었던 탄소 지지체의 수전해 장치 적용 가능성을 확인한 것으로, 그동안 촉매개발에 집중됐던 연구를 다양한 지지체로 확장한다면 수전해 기술이 한 단계 성장할 수 있을 것으로 기대된다”라며, “그린수소 생산을 포함한 다양한 친환경에너지 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%)에 6월 12일 온라인 게재됐다.