에너지硏 "해수 수전해용 '고성능 전극' 개발…상용화 가능성 커"

국내 연구팀이 해수 수전해용 고성능 전극을 개발하는 데 성공했다. 이 전극은 기존 해수 수전해용 전극보다 우수한 성능으로 상용화 가능성도 큰 것으로 점쳐진다.

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 SCI 융합연구단 한지형 박사 연구팀이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반의 고성능 전극을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 개발한 전극으로 고전류 조건에서 800시간 이상 운전하는 데도 성공했다. 이는 세계 최초의 사례로 상용화 가능성을 높인다.

연구원이 해수 수전해 전극 스택 테스트를 하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

수전해 기술은 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 주로 담수를 사용하지만, 세계적으로 담수 부족 문제를 겪으면서 최근에는 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목받는 분위기다.

다만 전극을 구성하는 촉매와 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 따라 해수 수전해 장치의 성능과 수명이 극명하게 엇갈리는 어려움이 있다.

같은 이유로 해수 수전해에는 백금, 루테늄 등 귀금속 기반의 촉매가 주로 사용되지만 이마저도 비용 부담이 커 비 귀금속계 촉매를 사용하거나 귀금속 사용을 최소화하는 방식의 연구가 활발하게 진행되는 추세다.

지지체 문제도 있다. 금속 재질의 지지체는 염소 이온이 일으키는 부식에 취약해 수명에 한계를 명확하게 드러낸다.

대체재로 전기전도성과 내식성, 유연성, 가격 경쟁력이 우수한 탄소섬유가 대두되지만 기존 탄소섬유 기반의 촉매는 산업계에서 요구하는 고전류(500mA/㎠ 이상)에서 100시간 이상 장기 운전 조건을 충족하기 어렵다. 장기 운전 과정에서 성능이 떨어지거나 구조적 손상이 발생해 상용화가 쉽지 않았던 상황이다.

이에 연구팀은 최적의 산 처리 공정으로 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 기반의 전극을 개발해 기존 전극의 단점을 극복했다. 개발된 전극은 전극에 가해지는 과전압을 25% 낮춰 기존 전극 대비 1.3배 효율적인 수소 생성 반응을 보였다.

전극의 반응성을 올리기 위해선 탄소섬유의 산 처리에 집중했다. 산 처리는 100도 이상의 고농도 질산 용액에 담가 한 시간 동안 진행되는데 이 과정에서 수분 증발로 질산의 농도가 변화되는 것이 고질적 문제였다.

에기연이 개발한 촉매가 적용된 전극의 합성 공정 설명. 한국에너지기술연구원 제공

이를 해결하기 위해 연구팀은 산 처리 전용 용기를 새롭게 설계, 농도 변화를 막고 탄소섬유 지지체 표면 처리를 최적화하는 데 성공했다.

산 처리된 탄소섬유 지지체는 높은 친수성으로 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도한다. 특히 귀금속인 루테늄은 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학적 성능을 낼 수 있게 했다.

이를 통해 완성한 코발트-몰리브덴 촉매는 촉매 무게 중 1% 수준의 루테늄을 사용해도 기존 코발트-몰리브덴 촉매보다 과전압을 25% 낮추는 효과를 나타냈다. 과도하게 투입되는 전압을 줄임으로써 동일한 전류 밀도에서도 1.3배 효율적인 수소 생성 반응을 끌어낼 수 있게 됐다는 게 연구팀의 설명이다.

특히 촉매를 포함한 전극은 1㎠당 5000mA/㎠의 고전류 조건에서도 800시간 이상 연속 운전했을 때도 초기 성능을 유지했다. 또 운전 후 촉매의 금속 성분을 분석했을 때 루테늄과 코발트 등의 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 안에서 유지되는 내식성과 구조적 안정성을 보였다.

한지형 박사는 "탄소섬유 지지체 기반의 전극을 적용한 해수 수전해 중 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전하는 데 성공한 사례는 이번이 세계 최초"라며 "연구팀은 앞으로 1000시간 이상의 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반의 모듈·스택 화 연구를 진행해 실증 수준으로 기술을 확장할 계획"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 국가과학 기술연구회(NST)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 지난 5월 국제 학술지 'Applied Surface Science(Elsevier)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr