신소재 '맥신' 이용해 해수로 전기 생산…친환경 수소 시대 앞당긴다

한국재료연구원

위 사진 왼쪽부터 이경복 한국재료연구원 석·박사 통합과정 학생연구원, 이영복 UNIST 박사, 윤기용 한국재료연구원 박사(이상 제1저자). 아래 사진 왼쪽부터 이호식 UNIST 교수, 송현곤 UNIST 교수, 양주찬 한국재료연구원 책임연구원 (이상 교신저자).

바닷물로 수소를 만드는 '해수 수전해' 기술의 가장 큰 걸림돌인 전극 부식 문제를 국내 연구진이 해결했다. 바닷물 속에서도 안정적인 수소 생산을 도와 해수 수전해 기술 상용화를 한층 앞당길 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS)은 양주찬 에너지환경재료연구본부 수소/전지재료 연구센터 책임연구원 연구팀이 신소재 '맥신(MXene)'을 활용한 고성능 전극 복합촉매를 개발했다고 23일 밝혔다. 이번 성과는 나노 분야 국제학술지 '에이씨 에스 나노(ACS Nano)'에 게재됐다. 

물을 전기분해하는 수전해 기술로 친환경 수소를 생산하는 데 지금까지 깨끗한 담수가 주로 이용됐다. 바닷물을 사용하면 바닷물 속 염소(CL) 이온이 수전해 전극을 쉽게 부식시켜 수소 생산 장치의 수명을 줄이는 문제가 있었기 때문이다. 담수는 바닷물보다 비용이 비싼데다 바닷물만큼 양이 충분하지 않다는 단점이 있다. 

연구팀은 금속과 탄소 또는 질소로 이뤄진 2차원 나노 물질 맥신을 주목했다. 맥신은 전기전도성이 뛰어나고 다양한 금속화합물과 조합할 수 있어 전기 소재로 활용하기에 적합하다. 문제는 산소에 약해 산화되기 쉽다는 점이다. 

연구팀은 이 단점을 오히려 활용했다. 맥신을 선택적으로 산화시켜 안정적인 전도성 구조를 형성하고, 고에너지 볼밀링 공정을 통해 산소 발생 촉매인 니켈페라이트(NiFe204)와 결합한 전극 복합촉매를 제조했다. 고에너지 볼밀링은 높은 에너지를 사용해 재료를 분쇄하거나 혼합하는 공정기술이다. 

연구진이 개발한 촉매는 기존 촉매보다 전류밀도가 약 5배, 내구성이 약 2배 향상됐다. 또 염소이온을 밀어내는 성질이 우수해 전극이 부식되는 문제도 효과적으로 해결했다. 높은 균일성과 재현성도 확보해 대량 생산이 가능한 기술적 기반을 마련했다.

특히 실험실 수준의 촉매 성능 평가를 넘어 실제 수전해 단위 셀(unit cell)에서도 성능을 검증해 실용화 가능성도 입증했다. 양 책임연구원은 "지속 가능한 수소 생산 기술로 이어질 수 있도록 후속 실증 연구도 활발하게 진행 중"이라고 말했다. 
 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]