한국연구재단 “에너지 효율 높일 수전해용 ‘일체형 전극’ 개발”

에너지 효율을 높일 수전해용 일체형 전극 및 단일 열분해 공정이 개발됐다.

한국연구재단은 권오중 인천대 교수·김명준 성균관대 교수·성영은 서울대 교수 공동연구팀이 수소생산을 위한 수전해 기술의 고전류 영역에서 에너지 효율을 높이는 전극 및 공정을 개발했다고 13일 밝혔다.

(왼쪽부터) 권오중 인천대교수·김명준 성균관대 교수·성영은 서울대 교수. 한국연구재단 제공

수전해 기술은 물을 전기 분해해 수소를 생하는 기술로, 전기 에너지를 화학에너지로 변환해 저장할 수 있게 한다.

이 기술에서 수소 생성 반응과 산소 발생 반응 전극은 물(반응물)과 산소(생성물)가 상반된 방향으로 이동해야만 원활한 반응이 유지된다.

하지만 이 두 가지 상은 서로의 흐름을 방해하는 성질이 있어 수전해 특성을 저해하는 단점을 갖는다. 이 같은 특성은 고전류 영역에서 더 강해진다. 수전해 기술을 이용할 때 반응의 활성은 높이면서 물과 산소의 이동을 용이하게 하는 새로운 형태의 전극 개발이 필요했던 이유다.

공동연구팀은 이러한 요구에 부합, 고전류에서 높은 효율을 낼 수 있는 일체형 전극 구조로 기존의 단점을 보완하는 방법으로 다공성 전달층과 촉매층의 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다.

다공성 전달층은 수전해를 위해 전기를 전달하면서, 전기 전달과 동시에 산소 배출과 물 공급이 가능한 다공성 구조를 가진 Ti 펠트(felt)를 말한다.

일체형 전극은 다공성 전달층 위에 촉매가 고르게 분포하는 장점을 가졌지만, 표면적이 넓지 않아 담지 할 수 있는 촉매 양이 제한되는 단점이 있다.

공동연구팀은 이러한 일체형 전극의 단점을 해소, 전극의 표면적을 넓히기 위해 다공성 전달층에 체크 패턴의 다공성 탄소 지지체를 형성하고 표면적 외에 지지체 내부까지 고루 분포되는 촉매를 만들어 표면의 탄소가 소실되도 내부에선 촉매가 지속적으로 노출돼 활성이 유지되도록 했다.

이때 촉매층은 다공성 전달층 내부까지 고르게 형성되는 반면 다공성 전달층의 기공은 막지 않아, 산소가 전극 전체에 고르게 생성되면서 물의 공급을 원활하게 한다.

이 같은 원리는 고전류 영역에서도 우수한 수전해 성능을 확보할 수 있게 한다는 것이 공동연구팀의 설명이다. 실제 공동연구팀은 실험을 통해 적은 양의 귀금속 촉매로도 높은 활성을 유지, 고전류 영역에서도 물질 전달이 원활하게 이뤄지는 것을 증명했다.

이번에 개발된 일체형 전극은 전기화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

한편 공동연구팀은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 우수신진연구의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다. 연구 성과는 에너지 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 8월 29일자 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr