포스텍, 알칼리성 물 전기분해 시스템 안정성 높이는 촉매 개발

포스텍(POSTECH)은 김용태 신소재공학과 교수와 정상문 박사·김윤아 석사 연구팀이 한정우 서울대 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 알칼리 수전해 시스템에서 역전류에 의한 열화를 최소화하는 수소 발생 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

태양열과 풍력, 수력, 지열 등 신재생 에너지는 생산이 규칙적이지 않고, 날씨나 기후에 따라 수시로 변동한다. 이러한 에너지를 모아 사용하려면 이를 안정적으로 저장하고 전력망에 전달해야 하는데 이때 수소가 유용하게 사용된다.

왼쪽부터 김용태 포스텍 교수, 정상문 박사, 김윤아 석사.

수소를 생산하는 대표적인 공정은 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 수전해 시스템이다. 그 중에서도 알칼리성 용액을 사용하는 알칼리 수전해 시스템(AWE)은 비용이 비교적 저렴하고 내구성이 높다는 장점이 있다. 하지만 에너지의 간헐적 공급으로 수전해조 열화 현상이 발생하기 쉽고 전력이 공급되지 않는 경우 역전류로 인해 전극이 손상되며 내구성이 떨어졌다.

니켈 전극의 알칼리 수전해 운전 정지 시 역전류에 의한 열화 메커니즘.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 니켈(Ni) 촉매에 납(Pb) 코팅을 도입한 새로운 솔루션을 찾았다. 일반적으로 납은 수소를 발생시키는 반응에서 활성이 낮아 촉매로 사용되지 않는 물질이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 수소 발생 촉매인 니켈에 납을 코팅하면 납이 조촉매로 작용해 양성자 탈착과 물 분해를 모두 촉진함으로써 수소 발생 효율을 높인다는 사실을 확인했다.

또 신재생 에너지가 간헐적으로 공급되는 환경과 유사하게 AWE 가동·정지를 반복한 실험에서도 이 촉매는 오히려 지속적인 산화 반응을 통해 역전류에 강한 내성을 보였다. AWE 내 역전류 현상 해결을 위한 장비가 추가로 필요했던 기존과 달리 납 코팅만으로 수소 발생 효율을 높이고, 동시에 역전류에 강한 내성을 가진 촉매를 개발한 것이다.

김용태 교수는 “AWE 내 역전류에 의한 열화를 재료적인 솔루션으로 접근한 연구는 이번이 처음”이라며 “이번 연구가 AWE의 내구성을 높이고, 친환경 수소 경제 시대를 앞당기기를 바란다”고 말했다.

과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 표지 논문으로 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com