국내 연구진이 지구상 가장 풍부한 수자원인 해수를 활용해 그린수소를 직접 생산함으로써 수소 생산단가를 획기적으로 줄일 수 있는 '음이온 교환막 해수 수전해 기술'을 국내 최초로 개발했습니다.
한국재료연구원(KIMS) 에너지전자재료연구실 최승목, 이지훈 박사 연구팀은 해수 수전해의 핵심인 '고선택적 산소발생반응 제어기술'과 ‘염소발생반응 억제기술’을 개발해 지구상에서 가장 풍부한 바닷물을 전기분해해 고순도의 수소를 생산하는 데 성공했습니다.
고성능 음이온 교환막 해수 수전해 기술
그린수소 생산에 적합한 수전해 기술 중 '음이온 교환막 수전해'는 저렴한 비귀금속 촉매를 이용해 고순도의 수소를 저가로 안전하게 생산하는 기술입니다. 하지만 수소 생산을 위해서는 반드시 정제수(초순수)를 사용해야만 하기 때문에 수소 생산단가 증가는 물론 수전해 저변확대를 저해하는 원인이 돼 왔습니다. 연구팀은 니켈(Ni)이 도핑된 고선택성 2차원 나노시트 형상의 수산화철(FeOOH)촉매를 전극 표면에 바로 형성시켜 촉매 일체형 전극을 개발했습니다. 이를 통해 산소발생반응 과전압과 물질전달저항을 감소시켰고, 이 전극을 음이온 교환막 수전해에 적용 및 최적화시켜 염소발생반응을 억제함으로써 높은 수소 발생 효율을 확보할 수 있었습니다.
일반적으로 바닷물을 직접 수전해하여 수소를 생산하면 환원전극에서는 수소를 얻을 수 있지만 반대편의 산화전극에서는 바닷물에 포함된 염화이온이 산화되어 염소가 발생되는 '염소발생반응'과 물이 산화되어 산소가 발생되는 '산소발생반응'이 경쟁적으로 일어나게 됩니다.
이때 염소발생반응에 의해 전극 표면은 국부적으로 산성 분위기가 되는데, 이 때문에 산성에서 안정한 값비싼 귀금속(백금(Pt), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd) 등) 소재를 반드시 전극 촉매 물질로 사용해야만하는 단점이 존재합니다. 하지만 연구팀은 바닷물의 페하(pH, 용액의 수소 이온 농도 지수)를 제어해 염소발생반응이 발생하는 전위를 1.36V(vs.RHE)에서 1.72V(vs.RHE)로 높여 반응을 억제하고, 개발된 고활성 촉매를 적용해 과전압을 줄여 산소발생반응이 주도적으로 일어나게 함으로써 비귀금속 촉매 소재를 사용할 수 있도록 했습니다.
연구책임자인 최승목 책임연구원은 "비귀금속 기반 음이온 교환막 해수 수전해 기술을 통해 바닷물로 고순도의 수소를 저렴하게 생산할 수 있는 길을 열었다"며 "특히 해양재생에너지인 해상풍력과 연계하여 그린수소를 생산하게 된다면 해상에서 수소를 수소선박에 바로 충전할 수 있는 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했습니다.
한편, 이번 연구결과는 영국왕립화학회(RSC)의 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)에 표지논문으로 게재됐습니다. 연구팀은 현재 본 연구결과를 음이온 교환막 해수 수전해 시스템에 적용하는 실증 연구를 진행 중에 있습니다.
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