그린수소 생산 고성능·고내구성 수전해 소재 개발

음이온교환소재를 개발한 이장용 한국화학연구원 책임연구원(왼쪽) 연구팀. 화학연 제공

음이온교환막 수전해 기술은 물을 전기분해해 친환경 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 탄소중립 핵심기술 중 하나다. 국내 연구팀이 새로운 음이온교환막 소재를 개발해 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 확인했다.

한국화학연구원은 이장용 화학소재연구본부 책임연구원·김성준 선임연구원 연구팀이 수전해용 고성능·고내구성 음이온교환막 소재를 개발하고 연구결과를 지난 4월 국제학술지 '에너지&환경과학(Energy & Environmental Science)'에 공개했다고 3일 밝혔다.

현재 가장 널리 쓰이는 알칼라인 수전해 기술은 설비가 저렴하고 기술 성숙도가 높지만 효율과 생산하는 수소의 순도가 낮다. 성능이 우수하고 고순도 수소를 생산하는 양이온교환막 수전해 기술은 촉매에 값비싼 귀금속이 사용돼 설비 가격이 비싸다.

음이온교환막 수전해 기술은 촉매가 저렴하면서도 고효율로 고순도 수소를 생산하는 차세대 수전해 기술이다. 전해질막과 전극에 활용되는 소재의 낮은 성능과 내구성이 상용화 과제로 지적됐다. 미국, 캐나다 등 선진국을 중심으로 우수한 소재가 개발됐지만 수입 의존도를 줄이기 위해 국산화가 필요한 상황이다.

연구팀이 개발한 음이온교환소재를 활용해 수전해 셀을 만드는 개념도. 화학연 제공

연구팀은 튼튼하고 분자구조를 조절하기 용이한 소재인 폴리카바졸(PC)계 소재를 활용해 이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발했다. 이장용 책임연구원팀은 지난 2020년 폴리카바졸을 활용해 이온전도도와 화학적 안정성이 높은 소재(QPC-TMA)를 개발했다. 분자량을 더 키우고 정제 과정을 추가해 성능과 내구성을 개선한 것이다. 이온전도도가 높을수록 수소 생산 효율이 높다.

연구팀은 HQPC-TMA로 만든 음이온교환막을 금속이 아닌 전극과 결합해 수전해 셀을 만들었다. 보고됐던 가장 튼튼한 수전해 셀보다 같은 조건에서 성능이 10배 느리게 감소했다. 셀 성능도 상용화된 소재보다 20% 이상 높은 이온전도도를 보여 세계 최고 수준이었다.

HQPC-TMA는 담수와 알칼리 해수에서 수전해 반응을 진행한 경우에도 상용화된 소재와 비교해 2배 이상의 수전해 성능을 보였다. 연구팀은 "앞으로 연구가 필요한 민물과 바닷물을 활용한 수전해의 기술적 가능성도 확인한 것"이라고 설명했다.

연구팀이 개발한 소재는 연료전지 등 다양한 전기화학 장치에서 핵심 화학소재로 활용될 수 있어 에너지 분야 신규 시장을 창출하고 선점하는 데 기여할 것으로 기대된다.

이영국 화학연 원장은 "음이온교환막 수전해 기술이 상용화까지 이어져 핵심 소재 국산화와 수소 경제 달성에 이바지할 것"이라며 "국내 기업의 글로벌 시장 진입을 통해 일자리 창출에도 기여할 것으로 생각한다"고 밝혔다.
 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]