수전해 활성·내구성 향상 전극 개발…수소 생산 가격 경쟁력 확보

체크 패턴 전극을 활용한 고성능 수전해 시스템. 권오중 교수

고전류 영역에서 개선된 성능을 보이면서도 내구성에서도 세계적 수준에 뒤지지 않는 수전해용 전극이 개발됐다. 수소 생산 가격 경쟁력 및 에너지 효율을 높일 수 있는 새로운 방안으로 주목된다.

한국연구재단은 권오중 인천대 교수, 김명준 성균관대 교수, 성영은 서울대 교수 공동 연구팀이 고분자 전해질 수전해용 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다고 12일 밝혔다.

수전해 기술에서 수소 생성 반응을 위한 전극은 반응물인 물과 생성물인 산소가 서로 반대된 방향으로 이동해야만 반응을 원활하게 유지할 수 있지만, 이 두 가지 상은 서로 흐름을 방해하며 수전해 특성을 저해한다는 단점이 있다. 이 특성은 고전류 영역에서 더 강해진다.

따라서 반응의 활성은 높이면서 물과 산소 이동을 원활하게 하는 새로운 형태 전극 개발이 필요하다.

연구팀은 기존 전극 구조가 아닌 고전류에서 효율이 좋은 일체형 전극 구조를 활용해 단점을 보완하는 방법으로 다공성 전달층과 촉매층 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다.

일체형 전극은 다공성 전달층 위에 고르게 촉매가 분포하는 장점은 있지만, 표면적이 넓지 않아 담지할 수 있는 촉매 양이 제한적이다.

연구팀은 일체형 전극 표면적을 넓히기 위해 다공성 전달층에 체크 패턴 다공성 탄소 지지체를 형성하고, 표면적뿐만 아니라 지지체 내부까지 고르게 분포되는 촉매를 만들어 표면 탄소 소실에도 내부 촉매가 지속 노출돼 활성을 유지하도록 했다.

이 촉매층은 다공성 전달층 내부까지 고르게 형성되면서도 다공성 전달층 기공을 막지 않아 산소가 전극 전체에 고르게 생성, 물 공급을 원활하게 해 고전류 영역에서도 우수한 성능을 확보할 수 있다.

실험을 통해 적은 양의 귀금속 촉매 사용으로도 높은 활성을 유지했을 뿐만 아니라 고전류 영역에서도 물질 전달이 원활함을 증명했다.

권오중 교수는 “이번에 개발된 일체형 전극은 액체를 반응물로 사용하고 기체 발생을 수반하거나 기체를 반응물로 사용하고, 액체 발생을 수반하는 전기화학 시스템에 적용이 가능할 전망”이라고 말했다.

한편 이번 연구성과는 에너지 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 29일 온라인 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com