박세규 광운대 교수팀, 고분자 전해질 수전해 전지 열화 현상 규명

낮은 귀금속(이리듐) 사용량 기반에서 나타나는 수전해 전지(PEMWE)의 성능 거동 및 열화 과정에 대한 규명
전기도금법 기반 산소발생 반응용 촉매인 이리듐 산화물(IrOx)이 증착된 다공성 티타늄 기재(Ti felt) 전극 개발

조재우 광운대 화학공학과 박사과정, 박세규 교수와 김규수 포항공대 박사과정, 김용태 교수.(왼쪽부터)/사진제공=광운대

광운대학교는 최근 박세규 화학공학과 교수 연구팀이 고분자 전해질 수전해 전지(PEMWE)의 열화 현상을 규명하고, 전지의 성능을 향상할 수 있는 공성 촉매 전극을 개발했다고 22일 밝혔다.

탄소 중립 정책이 시행됨에 따라 탄소가 발생하지 않는 친환경 에너지원 중 물의 전기분해를 통해 생산되는 그린 수소가 주목받고 있다. 현재 태양열, 풍력, 지열 등의 재생에너지를 활용한 수전해 기법이 운용되고 있으며, 그중 고분자 전해질 수전해 전지(PEMWE)의 생산 속도가 가장 빠르다.

수전해 전지로 생산하는 그린수소는 기술적 한계로 기존의 그레이·블루 수소에 비해 생산 단가가 현저히 높다. 특히 수전해 전지에 쓰이는 이리듐(Ir)과 백금(Pt) 등 고가의 귀금속 촉매가 생산 효율을 크게 저해한다. 따라서 촉매의 특성을 극대화할 수 있는 3차원 촉매 전극 제조기술이 매우 중요하다.

연구진은 전기도금법을 활용해 귀금속 사용량을 줄이고 높은 수소 생산 속도와 장기 안정성을 갖는 촉매 전극을 개발했다. 뿐만 아니라 촉매전극 후처리법을 통해 귀금속을 적게 사용해 발생하는 문제의 원인을 규명했다.

박 교수팀은 안정성과 전기 전도성이 우수하고 표면적이 넓은 티타늄 소재의 다공체(Ti felt)를 도입해 촉매를 지지하는 기재로 사용했다. 이와 동시에 전기도금법으로 이리듐 산화물(IrOx) 촉매를 전착했다.

그 결과 단위면적당 촉매 활성 면적을 충분히 확보했으며, 전기도금 과정에서의 변수를 조절해 촉매의 전착량을 조절할 수 있었다. 이어 다양한 온도에서 후처리 과정을 수행, 촉매의 화학적 구조 변화와 티타늄 기재간 상호작용을 연구했다.

박 교수는 "티타늄 원자가 이리듐의 격자 내로 도핑돼 촉매층 내 존재하는 산소 원자의 전자 부족을 유도하고 높은 촉매 활성을 보였다. 촉매층과 기재가 단단히 결합돼 촉매 전극의 안정성도 크게 향상됐다"고 설명했다. 이어 "앞으로도 수전해 전지의 성능과 내구성 향상을 위해 노력하겠다"고 덧붙였다.

한편 박 교수팀은 김용태 포항공대 교수팀, 김수 리비안 박사, 샤오 퍼시픽노스웨스트내셔널랩 박사 등과 함께 이번 연구를 수행했으며, △한국연구재단 주관 중견연구 △단계도약형 탄소중립기술 개발사업 △미래소재디스커버리 사업 △광운대 우수연구자지원 사업 등의 지원을 받았다. 연구결과는 화학·재료공학 학술지인 와일리(Wiley) 출판의 '스몰 스트럭쳐'(Small Structures, IF=15.9)에 게재됐다.

박세규 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr