[인더스트리뉴스 최기창 기자] 국내 연구진이 유휴전력으로 친환경 수소를 저렴하게 생산하는 수전해 기술을 개발했다. 재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀은 청정 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 효율과 내구성을 향상에 영향을 주는 고효율 비귀금속 촉매를 저가로 합성 가능한 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

온실가스 저감을 위한 신기후체제 출범 이후 세계는 무한 재생산할 수 있는 수소에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 현재 생산되는 수소 대부분은 화석연료를 기반(개질 수소, 부생 수소 등)으로 하고 있어, 진정한 의미의 청정 에너지원이라고 부르기는 어렵다.

반면, 버려지는 유휴(또는 예비) 전력으로 물을 전기분해해 생산하는 수소는 사용 후 다시 물로 되돌아가기 때문에 완전한 청정 에너지원이다. 이를 생산하기 위한 수전해 시스템 중 하나인 음이온 교환막 수전해는 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있지만, 사용되는 촉매의 활성과 내구성이 낮다는 단점이 존재한다. 이로 인해 여전히 산소발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물(IrO2) 또는 수소발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담지된 백금(Pt/C)을 사용하는 한계가 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 저가의 고성능/고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를 개발했다. 재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판 위에 바로 증착됨으로써 촉매 합성공정을 단순화한 것이 특징이다. 또한 변수가 많고 시행착오적 연구에 기반을 둔 기존의 ‘전극 제조 공정(촉매 합성-촉매 슬러리-전극 코팅)’을 벗어나, 단일 원소가 아닌 Cu, Co를 동시에 2원계로, Cu, Co, P를 동시에 3원계로 2차원 나노 구조 형상을 바탕으로 전극 기판에 직접 전착(Electrodeposition)할 수 있는 원스텝 공정을 개발했다.

이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고 기존 공정에 사용되는 접착제(Binder)를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다. 또한 수소 발생의 주요 저항 중 하나인 물질 전달 저항을 감소시켜 수소 및 산소 발생 효율과 내구성을 비약적으로 향상해 기존 귀금속 이리듐 산화물 촉매에 버금가는 우수한 특성을 보여줬다는 평가다. 더불어 후속연구를 통해 이리듐 산화물 촉매보다 1.5배 우수한 활성의 촉매를 개발했고, 관련 연구 결과를 논문에 게시했다.

실제 상황에서 개발된 촉매의 성능을 평가하기 위해 자체적으로 개발한 단위셀에서 평가도 진행했다. 더 나아가 상용화 가능 단계인 스택에서의 실증 연구를 진행하고 있다.

수소 관련 세계 시장은 2018년 기준 약 1,460억 달러라는 천문학적인 규모다. 연평균 8%씩 증가해 2023년에는 약 2,000억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 본 기술 개발은 재생에너지 발전 비중 증가와 수소에너저저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 중앙 집중-분배 방식의 수소가 아니라 활용하는 곳에서 바로 수소를 생산할 수 있어 국가 전체 에너지 관리 효율이 크게 증가할 전망이며, 막대한 에너지 관리 비용을 줄일 것으로 기대된다. 국산화에 의한 수입 대체 효과뿐만 아니라 해외로의 수출도 가능할 것으로 보인다.

연구책임자인 재료연구소 최승목 선임연구원은 “본 기술을 통해 높은 수소 발생 효율을 보이는 저가의 비귀금속 촉매 전극을 원스텝으로 재현성 있게 대면적으로 제작하는 것이 가능해졌다”며, “이를 통해 저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

본 연구는 재료연구소의 자체연구사업, 한국에너지기술평가원의 신재생에너지융합원천기술개발사업의 지원을 받아 진행했으며, 관련 연구결과를 미국화학회(American Chemical Society)의 에이씨에스 어플라이드 머테리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)와 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)지에 표지논문으로 게재됐다. 또한 원천특허를 출원하고 시스템 실증을 위한 후속 연구와 상용화를 위한 기술이전을 진행 중이다.

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