'휴대폰 충전부터 수소 생산까지'...에너지 반응 '핵심' 풀렸다

▲전기 이중층 구조변화에 따른 '낙타형→종형' 곡선 전이를 나타낸 그림 (이미지=KAIST)

휴대폰 충전부터 수소 생산까지 이루는 에너지 기술의 핵심원리를 국내 연구진이 밝혀냈다. 에너지 손실을 줄이고 원하는 반응만 선택적으로 유도해, 배터리·수소·탄소중립 기술의 효율과 성능을 동시에 끌어올릴 수 있는 새로운 길이 열린 것이다.

한국과학기술원(KAIST) 화학과 김형준 교수 및 포스텍(POSTECH) 화학과 최창혁 교수, 울산과학기술원(UNIST) 신승재 교수가 이끈 공동 연구팀은 '전기 이중층'에서 물질의 상태나 배열이 바뀌는 과정을 최초로 규명했다고 3일 밝혔다. 연구진은 전해질 농도에 따라 전기 저장능력(전기용량)의 패턴이 낙타 모양에서 종 모양으로 바뀌는 현상의 원인을 분자 수준에서 밝혀냈다.

전기화학 반응은 전극과 전해질이 맞닿는 얇은 경계면인 전기 이중층에서 일어난다. 전극은 전기가 흐르는 물질이고 전해질은 이온이 이동하는 액체다. 전기화학 분야에서는 전해질 농도가 높아질수록 전기용량 곡선이 두 개의 봉우리를 가진 낙타 모양에서 하나의 봉우리인 종 모양으로 바뀌는 현상이 오래전부터 알려져 있었지만, 그 원인은 분자 수준에서 설명되지 못하고 있었다.

연구진은 원자 수준의 정밀 시뮬레이션을 돌린 결과, 음극에서는 물 분자들이 일정한 방향으로 일제히 재배열되고, 양극에서는 음이온들이 표면에 밀집해 2차원 구조를 형성하는 응축 현상이 나타났다고 설명했다. 이 두 과정은 각각 전기용량 곡선의 봉우리를 만들며, 전해질 농도가 높아질수록 하나로 합쳐지면서 곡선 형태가 낙타에서 종으로 변화하게 된다.

쉽게 말해 한쪽에서는 물 분자들이 줄을 맞춰 정렬되고 다른 쪽에서는 이온들이 빽빽하게 모이는데, 농도가 높아지면 이 두 현상이 하나로 합쳐지면서 그래프도 두 봉우리에서 하나로 바뀌는 것이다.

연구진은 전극에 걸리는 전압(전극 전위)와 전해질 농도에 따라 전기 이중층 구조가 어떻게 달라지는지를 한눈에 보여주는 '상도표(phase diagram, 조건에 따른 상태 변화를 정리한 지도)'를 세계 최초로 제시했다. 또 이러한 이론적 예측을 실시간 적외선 분광법(ATR-SEIRAS)을 통해 입증했다. 어떤 조건에서 구조가 어떻게 바뀌는지를 한눈에 보이는 지도로 만들고, 그게 실제로 맞는지도 실험으로 확인한 것이다.

김형준 교수는 "이번 연구는 보이지 않게 미세한 전기화학 반응 환경을 처음으로 이해하고 설계할 수 있는 길을 연 것"이라며 "배터리 충전 속도를 높이거나 수소 생산 효율을 극대화하는 등 에너지 기술의 성능을 정밀하게 향상시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.