▲ (뒷줄 左부터)화학연 소순용 책임연구원, 유덕만 책임연구원, 이창진 학생연구원이 기화학적 LOHC 수소화 방식에 쓰이는 차세대 수소 저장용 분리막 기술을 개발했다.

국내 연구진이  탄화수소계 기반 분리막을 활용해 전기화학 방식의 수소 저장 기술 성능을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막을 개발, 연료전지 및 수소 활용 산업에서의 적용 가능성이 증가해 수소경제 활성화에 기여할 것으로 보인다. 

한국화학연구원(원장 이영국)은 소순용 박사, 연세대 이상영 교수 공동 연구팀이 ‘SPAES’라는 탄화수소 기반 고분자 전해질막을 적용해, 전기화학적 LOHC 수소화 방식에 쓰이는 차세대 수소 저장용 분리막 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 

개발된 분리막 기술은 나피온(Nafion) 등 기존 상용화된 과불소계 양이온 교환막(PEM)의 단점이던 톨루엔 투과성을 60% 이상 줄이고 수소화 반응 효율은 72.8%까지 끌어올렸다.

LOHC(액체 유기 수소운반체)는 수소를 저장하고 운송하기에 적합한 액체 화합물이다. 기체 수소는 압축(100 bar 이상) 및 액화(-252.9 ℃)를 통해 운송해야 해서 톨루엔과 같은 LOHC를 활용한 전기화학적 수소 저장이 주목을 받고 있다. 

하지만 기존 톨루엔 전기화학적 수소 저장은 전기화학 장치 내 분리막을 통해 톨루엔이 반대쪽 전극으로 투과해 손실되는 문제가 있다. 특히, 기존 상용화된 과불소계 막(나피온 등)은 톨루엔 투과율이 높아 톨루엔의 손실뿐만 아니라, 수소화 반응 중 산소 발생 촉매를 오염시켜, 반응 효율이 하락하는 단점이 있다.

연구팀은 탄화수소 기반의 ‘SPAES 분리막’을 새로 설계했다. SPAES(Sulfonated Poly Aarylene Ether Sulfone)는 특수한 고분자(플라스틱 종류)로 만든 분리막으로서, 전기가 잘 통하고, 열이나 화학물질에도 강한 특성을 가지고 있으며, 주로 연료전지나 수소 저장장치에서 전해질막(전기를 이동시키는 통로)으로 사용된다.

연구팀은 SPAES 분리막을 통해 프로톤 전달 성능은 유지하면서도 톨루엔 투과를 최소화했다. 고분자 전해질막의 친수성 도메인을 2.1나노미터로 좁혀 톨루엔 확산도를 낮춘 것이다. 쉽게 비유하면, 물길처럼 이온이 지나가는 막 속 통로(친수성 도메인)를 머리카락 굵기의 5만 분의 1 크기로 아주 좁게 설계한 것이다. 이 구조는 톨루엔 분자가 막 속으로 퍼지는 것을 방해해 톨루엔이 막을 통과하는 속도를 기존보다 약 20배나 느리게 만들었다.

그 결과, 톨루엔 투과량은 60% 감소하고 수소화 반응 효율을 나타내는 Faradaic 효율은 기존 나피온의 68.4% 보다 높은 72.8%를 기록했다. 48시간 구동 성능도 우수했다. 전압 강하율이 나피온(1,270 mV/h)에 비해 SPAES 적용 시 약 40% 개선(728 mV/h)된 것이다.

전극 오염 억제 효과도 입증됐으며, 분리막 자체의 화학적 안정성과 구조적 변화도 없어 장기 사용 가능성이 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 향후 발생한 전기를 바로 저장할 수 있는 통합형 소자 개발과 함께,독립형 고효율 수소 저장 시스템을 구축한다면 2030년경 상용화가 가능할 것으로 전망하고 있다.

연구진은 “이번 연구는 전기화학 기반 수소 저장 기술의 병목이었던 분리막의 한계를 극복한 성과로 기존 수소저장·운송 기술의 대안을 제시했다”고 말했다.

화학연 이영국 원장은 “이번 기술은 수소연료전지차, 수소 발전 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 적용 가능성이 커, 수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

한편, 이번 논문은 2025년 2월 재료·에너지 분야 세계적 학술지인 ‘소재 화학 A(Journal of Materials Chemistry A(IF: 10.7))’에 표지 논문으로 게재됐다. 화학연 소순용·유덕만 박사와 연세대 이상영 교수가 교신저자로 참여했고, 화학연 이창진 학생이 1저자로 참여했다. 

이번 연구는 화학연 기본사업인 K2030 사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.