KIST, 고성능·내구성 음이온 교환막 수전해 장치 구현…그린수소 생산비용 낮춘다

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

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

탄소 지지체는 높은 전기전도도와, 넓은 표면적을 가져 다양한 촉매 지지체로 활용됐으나, 수전해에 필요한 전압이 높고 물이 많은 환경에서는 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다.

연구팀은 기존 이리듐보다 저렴한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에 합성해 음이온 교환막 수전해 산소 발생 반응 촉매를 개발했다.

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

성능평가 결과, 이번에 개발한 탄소 지지체 기반 수전해 촉매 전류밀도가 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 상용촉매인 이리듐 산화물 촉매보다 크다는 사실을 확인했다. 약 550시간의 장기 내구성을 동시에 확보했다. 또 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체 소수성이 수전해 장치 성능을 결정하는 하나 주된 요인임을 처음으로 규명했다.

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”며 “그린수소 생산을 포함한 다양한 친환경에너지 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경 에너지 분야 국제학술지 '에너지 & 인바이론멘탈 사이언스'에 6월 12일 온라인 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com