전극서 공기 방울 없애 수소 생산 Up
전극서 공기 방울 없애 수소 생산 Up
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.20 17:30
  • 조회수 861
  • 댓글 0
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요약

 

연잎이 물방울 털 듯 전극서 공기 방울을 없애 수소 생산 효율을 대폭 향상시킨 기술이 나왔습니다. 연구팀은 다공성 수화 젤(hydrogel)을 전극 표면에 코팅함으로써 기체 방울을 쉽게 제거하는 방법을 고안했습니다. 새로운 촉매를 개발하지 않고 전극 표면을 코팅하는 것만으로도 수소 생산량을 크게 높일 수 있어 주목받고 있습니다. 수소생산뿐 아니라 전기화학 기반의 다양한 기체 발생 반응에 적용할 수 있을 전망입니다.

연잎에 떨어진 물방울은 스며들지 않고 쉽게 튕기는데요. 연잎 '표면'에 있는 아주 미세한 돌기가 있어 물을 밀어내는 성질을 가지기 때문입니다. 여기서 힌트를 얻어 물 분해로 수소를 얻는 전극 '표면'을 개선함으로써 수소 생산 효율을 획기적으로 높인 기술이 나왔습니다.  

기존 전극과 초혐기 필름 전극의 공기 방울 탈착 테스트. 출처: UNIST
기존 전극과 초혐기 필름 전극의 공기 방울 탈착 테스트. 출처: UNIST

UNIST 에너지 및 화학공학부의 류정기·이동욱 교수 공동연구팀은 '표면에 미세한 구멍이 많은 고분자 젤'을 물의 전기분해(수전해)용 전극에 코팅해 수소 생산 효율을 5배 정도 높이는 기술을 개발했습니다. 새로운 촉매를 개발하지 않고 전극 표면을 코팅하는 것만으로도 수소 생산량을 크게 높일 수 있어 주목받고 있습니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다. 

 

전극 표면 코팅만으로 수소 생산 UP

 

컵에 탄산음료를 따르면 컵 안쪽 표면에 공기 방울이 달라붙습니다. 음료를 마실 때라면 이런 공기 방울의 많고 적음이 큰 상관 없지만 물을 전기로 분해하는 전극에서는 다릅니다. 전극 표면에서 발생한 기체가 많이 달라붙어 있을수록 반응이 일어날 면적이 줄어서 수소와 산소 같은 기체 발생 효율이 낮아지기 때문입니다. 따라서 전극 표면에 달라붙는 기체를 제거하는 게 전체적인 효율에서 중요합니다.

기존의 전극과 초혐기 필름 전극의 수소 기체 발생 효율 비교. 출처: UNIST
기존의 전극과 초혐기 필름 전극의 수소 기체 발생 효율 비교. 출처: UNIST

공동연구팀은 다공성 수화 젤(hydrogel)을 전극 표면에 코팅함으로써 기체 방울을 쉽게 제거하는 방법을 고안했습니다. 수화 젤은 물을 많이 흡수할 수 있는 고분자물질로, 고체의 표면에 코팅하면 기체가 잘 달라붙지 않고 떨어지게 된다. 연구팀은 수전해 시스템의 전극 표면을 수화젤로 코팅해 수소 발생 성능을 측정했습니다. 그 결과 같은 수소 생산효율이 5배 정도 향상됐음을 확인했습니다.

  • 수화젤

수용성 고분자가 물리적 혹은 화학적인 결합에 의해 3차원 그물구조를 하고 있는 물질입니다. 용해되지 않고 상당한 양의 물을 함유할 수 있는 친수성이 높습니다. 액체인 전해질(물)이 고체인 전극 표면을 만나 표면에서 기체 분자가 만들어지는 수전해(물 전기분해) 반응에서 친수성도가 높은 물질을 전극 표면에 코팅 할 경우 반응 생성물인 기체보다 액체인 반응물이 전극표면에 더 잘 붙습니다. 즉 기체는 전극 표면에 잘 붙지 않게 됩니다.

류정기 교수는 "고분자물질은 반응을 촉진하는 촉매 역할을 할 수 없고 전기가 통하지 않아 수전해 효율을 낮춘다고 예상됐다"며 "이런 점 때문에 전극에 사용된 적이 없었지만 전극 표면을 코팅하는 방식으로 활용해 오히려 수전해 방식의 단점을 해소할 수 있었다"고 설명했습니다.

 

이번 성과는 고분자물질을 고체의 표면에 코팅해 '기체를 밀어내는 성질'을 얻은 새로운 기술로 주목받고 있습니다. 기존에도 표면의 기체를 제거하기 위해 고체의 표면에 미세한 나노 구조를 만드는 방법이 있었지만 제조비용이 비싼 데다 적용 가능한 물질에도 제한이 있었습니다. 그러나 이번에 개발한 방법은 고체라면 물질에 상관없이 적용할 수 있고 대상 물질에 수화 젤만 코팅하면 되는 간편하고 저렴한 방식이라 활용 범위도 넓습니다.

 

이동욱 교수는 "이번 연구는 '다공성 고분자 수화 젤의 코팅'을 이용해 다양한 고체의 표면에 '초혐기성(Superaerophobicity)' 기체를 싫어해서 밀어내는 성질)을 구현한 최초의 연구"라며 "이 기술은 수전해뿐만 아니라 이산화탄소 자원화 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것"이라고 기대했습니다.

  • 초혐기성(superaerophobicity)

흔히 연꽃잎효과로 알려진 초소수성(superhydrophobicity)과 유사한 특성으로 초소수성이 표면으로부터 물을 밀어내는 성질이라면 초혐기성은 물에 잠긴 상태에서 표면으로부터 기체방울을 밀어내는 특성입니다.


##참고자료##

 


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