수전해 '기포 막힘' 해결할 '수소 고속도로' 설계 기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀, 건국대학교 이장용 교수 연구팀과 함께 음이온교환막 수전해(AEMWE) 성능과 안정성을 동시에 확보하는 설계 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

음이온교환막 수전해는 낮은 귀금속 사용량과 높은 경제성을 바탕으로 차세대 친환경 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 그러나 고전류 구동 환경에서 촉매층 내부에 기포가 생겨 물질 전달을 막고 반응 효율을 저하시키는 문제가 있다. 또 장시간 구동 시 촉매 응집 및 계면 열화가 발생해 고효율·고내구성을 동시에 만족하는 시스템 구현이 중요한 과제로 남아 있다.

연구팀은 종이처럼 얇은 2차원 메조다공성 탄소 나노시트를 활용해 물질들이 막힘없이 이동할 수 있는 저굴곡 구조를 만들었다. 촉매층 내 좁고 복잡한 골목길 대신 물과 기체가 빠르게 지나갈 수 있는 '고속도로 같은 통로' 역할을 한다.

결함이 도입된 탄소 표면에 루테늄(Ru) 나노클러스터를 고정해 수소 발생 반응 속도를 높이고 장시간 구동에도 촉매가 손상되지 않도록 계면 구조를 제어했다.

이 기술을 적용한 결과 낮은 귀금속 사용량 및 80도 고온 환경에서 미국 에너지부(DOE)가 제시한 목표치 효율 이상으로 1000시간 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

이번 기술은 앞으로 친환경 수소를 더 싸고 효율적으로 생산할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

향후 대규모 그린수소 생산, 친환경 발전 시스템, 수소차·친환경 모빌리티, 탄소중립 산업 공정 등 다양한 분야로 확대될 수 있을 것으로 기대된다.

이진우 교수는 "이번 연구는 촉매 자체뿐 아니라 에너지가 흐르는 길까지 함께 설계해 수전해 효율을 높인 기술"이라며 "적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해 향후 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 변재호·반민경 박사과정생이 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 줄(Joule)에 온라인 게재됐다. 오는 9월 줄 정식 호에 수록될 예정이다.

연구는 한국연구재단 AEM수전해기술육성, 나노미래소재원천기술개발, 교육부 박사과정생연구장려금지원사업, 한국화학연구원, 롯데케미칼 탄소중립센터의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr