내구성 10배 높아진 수소 만드는 음이온교환막 나왔다

화학연, 고분자 폴리카바졸계 음이온교환막 개발
2500시간 뒤에도 이온전도도 100%
음이온교환 수전해 중 생산 효율도 최고

독일 서부 도시 마인츠 수소생산시설./조선DB

국내 연구진이 물 전기분해로 ‘그린 수소’를 생산하는 음이온교환막 소재를 개발했다. 음이온교환막의 상용화를 막았던 내구성을 기존보다 10배 높여 수소 시장을 선점할 수 있을 것으로 보인다.

이장용 한국화학연구원 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀은 기존 상용 소재보다 내구성이 향상된 ‘고분자량화 폴리카바졸계 음이온교환 소재’ 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

수전해는 물을 전기로 분해해 친환경 수소를 생산하는 기술이다. 현재 수전해 분야에선 ‘알칼라인 수전해’ 기술이 설비 가격이 낮고 기술 성숙도가 높아 주로 쓰이고 있다. 하지만 알칼라인 수전해는 효율이 낮고 저순도 수소를 생산해 차세대 수전해 기술이 필요한 상황이다.

음이온교환막 수전해는 저렴한 촉매로 고순도 수소를 만들 수 있어 차세대 수전해 기술로 꼽힌다. 다만 전해질막과 전극 바인더로 사용되는 음이온교환 소재의 내구성이 좋지 않아 상용화가 되지 못했다. 특히 음이온교환막 수전해 사업에 뛰어든 국내 기업들이 핵심 부품의 소재를 대부분 해외 수입에 의존하고 있다.

이장용 한국화학연구원 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 개발한 ‘고분자량화 폴리카바졸계 음이온교환 소재’./화학연

연구팀은 튼튼하고 분자구조 조절이 쉬운 폴리카바졸계 소재에 분자량을 높이는 기술을 적용해 수소 생산 성능과 내구성을 높인 ‘이온교환소재’를 개발했다. 이 소재로 만든 음이온교환막과 셀은 기존 소재보다 10배 높은 내구성을 보였다. 이온전도도는 기존 소재보다 20% 높아 세계 최고 성능을 나타냈다.

연구팀이 실험한 결과, 새로운 소재는 섭씨 80도의 고농도 알칼리 용액에서 2500시간이 지난 뒤에도 이온전도도가 100%로 유지됐다. 기존 소재들은 저농도 알칼리 용액에서 1000~3000시간이 지나면 이온전도도가 60~97%로 성능이 떨어졌다.

연구팀은 개발한 소재를 음이온교환막으로 사용하고 비귀금속 전극과 결합해 수전해 셀을 만들었다. 이 셀로 1000시간 동안 평가했을 때에도 가장 성능이 좋은 것으로 나타난 기존 셀보다 10배 느리게 성능이 줄어들었다. 수소 생산 효율을 나타내는 전류 밀도도 지금까지 보고된 것 중 가장 높은 ㎠당 14.6A를 기록했다.

연구팀은 수전해 규모를 키우기 위한 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구를 준비하고 있다. 이 기술은 전기화학적 이산화탄소 전환 장치나 연료전지에도 활용할 수 있어 다양한 분야의 상용화가 기대된다고 연구팀은 설명했다.

이영국 화학연 원장은 “음이온교환막 수전해 기술이 상용화까지 이어져 핵심 소재 국산화와 수소 경제 달성에 이바지하고 한국 기업의 글로벌 시장 진입을 통해 신규 일자리 창출할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 한국화학연구원의 지원을 받았다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy and Environmental Science)’에 지난 4월 30일 온라인 게재됐다.

참고자료

Energy and Environmental Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1039/d4ee01003e

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