[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 유휴전력으로 친환경 수소를 저렴하게 분산·독립적으로 생산하는 수전해 기술을 개발, 막대한 에너지 관리 비용을 줄일 수 있게 될 전망이다.

재료연구소는 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀이 청정 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 효율과 내구성을 증가시키는 역할을 하는 고효율 비귀금속 촉매를 저가로 합성 가능한 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.

버려지는 유휴전력으로 물을 전기분해해 생산되는 수소는 사용 후 다시 물로 되돌아가기 때문에 완전한 청정 에너지원으로 꼽힌다. 이를 생산하기 위한 수전해 시스템 중 하나인 음이온 교환막 수전해는 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있지만 사용되는 촉매의 활성과 내구성이 낮은 단점이 존재한다. 이로 인해 여전히 산소발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물 또는 수소발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담지된 백금을 사용하는 한계를 보여주고 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 저가의 고성능‧고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를 개발했다. 재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판위에 바로 증착됨으로서 촉매 합성공정을 단순화했다.

이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고 기존 공정에 사용되는 접착제를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다. 뿐만 아니라 수소 발생의 주요 저항 중 하나인 물질 전달 저항을 감소시켜 수소 및 산소 발생 효율과 내구성을 비약적으로 향상시켜 기존 귀금속 이리듐 산화물 촉매에 버금가는 우수한 특성을 나타냈다.

또한 실제 상황에서 개발된 촉매의 성능을 평가하기 위해 자체적으로 개발한 단위셀에서 평가를 진행했고 상용화 가능 단계인 스택에서의 실증 연구를 진행하고 있다.

수소 관련 세계시장은 2018년 기준 약 1460억불의 천문학적인 규모로 연평균 8%씩 증가해 2023년에는 약 2,000억불 규모로 성장할 것으로 예상된다. 연구팀은 기술 개발을 통해 재생에너지 발전 비중 증가에 기여하고, 동시에 버려지는 유휴전력을 활용해 수소를 생산(수전해)-저장(수소저장합금 또는 용기)-활용(연료전지) 할 수 있는 수소에너저저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.

최승목 박사는 “이 기술을 통해 높은 수소 발생 효율을 보이는 저가의 비귀금속 촉매 전극을 원스텝으로 재현성 있게 대면적으로 제작하는 것이 가능해졌다”면서 “이를 통해 저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구성과는 미국화학회가 발행하는 ‘에이씨에스 어플라이드 머테리얼즈 앤 인터페이시즈’와 ‘에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링’ 최근호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

개발된 촉매를 적용하기 위한 대면적 전극이 장착된 음이온교환막 수전해 스택 실험.[재료연구소 제공]