질소 입힌 탄소 전극으로 수소 생산 효율 높인다

인천대 경희대 서울대 공동연구
질소 도핑한 탄소 활용한, 다공성 탄소 전극 개발

논문 1저자인 티 빛 응옥 후인 학생/한국연구재단 제공

수소의 생산 효율을 높일 수 있는 다공성 탄소 기반 전극을 국내 연구진이 개발했다.

인천대학교 권오중 교수, 경희대학교 김명준 교수, 서울대학교 성영은 교수 연구팀이 공동연구를 통해 고분자 전해질 수전해 기술에 활용 가능한 질소 도핑 다공성 탄소 전극을 개발했다고 한국연구재단은 1일 밝혔다.

수소는 물을 전기분해하는 방식으로 생산하는데, 이 때 탄소를 지지체로 사용하면 산화 때문에 내구성이 떨어진다는 문제가 있었다. 가장 우수한 소재로 꼽히는 타이타늄 펠트도 촉매 활용률이 낮은데다, 전기 저항이 높아서 시스템 효율을 떨어진다는 점이 한계로 지적됐다.

연구팀은 질소를 도핑(Doping)한 탄소를 사용해 촉매 활성과 내구성을 확보할 수 있는 방법을 고안했다. 산화에 강한 질소를 도핑한 탄소층을 만들고, 여기에 이리듐-루테늄 나노입자 촉매를 탄소층에 내장시키는 방법을 썼다. 그러자 탄소가 용해되는 영향이 최소화되는 동시에 나노입자 촉매는 활성화됐다는 설명이다.

연구팀 관계자는 “열분해 시 형성된 지지체의 크랙은 산소의 전달을 용이하게 해 수전해 시스템 성능을 향상시키고 질소가 도핑된 탄소 지지체와 이리듐-루테늄 나노 촉매를 감싸고 있는 탄소 껍질은 우수한 내구성을 확보하는 데 기여한다”고 설명했다.

질소를 도핑한 탄소 지지체는 물을 전기분해하는 것 뿐만 아니라 기체를 반응물로 사용하는 전기화학시스템에도 적용이 가능하다. 나아가 이산화탄소 환원 반응을 포함한 여러 전기화학 촉매반응에 적용될 것으로 기대된다고 연구팀은 설명했다. 권오중 교수는 “이번 연구는 고분자 전해질 수전해 방법을 이용한 수소생산 공정의 에너지 효율 및 시스템 수명을 늘리는데 기여할 것”이라고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료공학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 3월 28일 게재됐다. 논문명은 ‘양성자 교환막 물 전기분해를 위해 N-도핑 탄소 매트릭스에 내장된 Ir-Ru 전기 촉매(Ir-Ru Electrocatalysts Embedded in N-doped Carbon Matrix for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis)’다.

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