차세대 수전해기술 '음이온교환막' 기술 상용화 '성큼'

박태호 포스텍 화학공학 교수팀,
최승목 한국재료연구원 박사팀과
값비싼 백금 대신 저렴한 소재인
수전해 음이온교환막 성능·내구성↑

연구팀이 개발한 음이온 교환막(AEM)이 적용된 수전해 장치. 포항공과대학교 제공

경북 포항시 포항공대(포스텍) 박태호 화학공학과 교수 연구팀이 한국재료연구원 최승목 에너지·환경재료연구본부 박사 연구팀과 차세대 수전해(물 전기분해) 기술인 음이온교환막 방식 수전해기술의 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

2일 포항공대 등에 따르면 박 교수 연구팀은 백금 촉매 대체재로 쓰이는 '음이온 교환막(AEM)'의 성능과 내구성을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다.

박태호 포항공과대학교 화학공학과 교수. 포항공과대학교 제공

탄소중립으로 가는 데에는 풍력 태양광 등 신재생에너지의 간헐성을 극복해야 하며, 이를 위해 값싸고 안전한 대용량 에너지저장장치 개발이 필수다. 수소는 에너지저장장치 뿐만 아니라 제철에서도 석탄 대체재로 각광받고 있다.

하지만 현재 사용 중인 수소는 천연가스에서 추출하거나 제철 화학공정에서 부산물로 나오는 부생가스로, 이산화탄소를 배출하는 '그레이수소'가 대부분이다. 진정한 탄소중립을 위해선 탄소가스 배출이 없는 청정수소(그린수소) 시대를 열어야 하며, 수전해(물 전기분해) 수소생산 기술의 경제성을 높이는 게 관건이다.

박 교수 팀은 백금촉매 대신 쓰이는 AEM 수전해 장치의 가장 큰 단점인 내구성을 획기적으로 높였다. 고분자 구조 사이 '틈새 알킬 사슬(interstitial alkyl chain)'이라는 특수 분자를 추가하는 방법으로 이온의 이동을 획기적으로 개선한 것이다.

연구팀이 만든 AEM은 섭씨 80도의 고온에서도 뛰어난 이온 전도성을 보였고, 강한 알칼리 환경에서도 2,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 실제 수소 생산 장치에 적용했을 때도 70℃에서 100일 이상 연속 작동할 정도할 정도로 내구성이 좋았다. 에너지 손실이 매우 적어 지금까지 학계 보고된 수전해 시스템 중에 최고 수준을 나타냈다.

박태호 교수는 “이번 연구는 수소 생산 기술의 '비용 장벽'을 허문 성과”라며 “고온과 고전류 환경에서 AEM 수전해 기술의 약점을 극복해 앞으로 친환경 수소 생산 기술의 산업 현장 적용이 더욱 빨라질 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 탄소제로 그린 암모니아 사이클링 연구사업 및 교육부 박사과정생연구장려금 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 에너지 분야 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

김정혜 기자 kjh@hankookilbo.com