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KAIST, ‘그린수소’ 저가 생산기술 실마리 찾아
전극계면 제어를 통한 귀금속 촉매 사용량 10배 저감

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 수소를 생산하는 다양한 기술들이 제시되고 있는 가운데, 수소 생산 시 이산화탄소 배출이 전혀 없는 ‘그린수소’ 기술이 주목되고 있다.

특히, 물을 전기분해해 수소와 산소를 생성하는 수전해 기술이 변동성이 높은 재생에너지 기반 전력 시스템에 우수한 안정성을 가져, 향후 급증할 그린수소의 수요를 책임질 차세대 시스템으로 관심을 모으고 있다.

이리듐 촉매 함량 저감 시 발생하는 티타늄 산화층 띠굽음 현상 [자료=KAIST]

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명해 그린수소 생산기술 저가화에 대한 실마리를 찾았다고 지난 5월 22일 밝혔다.

KAIST 생명화학공학과 두기수 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 5월 12일자 온라인판 표지논문으로 게재됐다.

양이온 전도성 고분자전해질 수전해는 물을 전기분해해 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로 기존의 알칼리성 수전해 대비 높은 성능과 높은 수소생산 순도를 강점으로 지닌다.

이 수전해 시스템은 산성 환경에서 작동하며 효율적인 물의 분해를 위해 귀금속 기반의 촉매를 사용한다. 그러나 백금, 이리듐 등의 귀금속 소재들은 수급 부족과 높은 가격 문제를 수반한다. 특히, 이리듐 기반 촉매는 양극 반응에 가장 적합하지만 매장량이 적어 현재보다 십 분의 일 수준의 촉매가 요구되는 고분자전해질 수전해 장치를 개발할 필요가 있다.

하지만 이리듐 촉매 함량을 줄일 때 발생하는 급격한 성능 저하 현상이 고분자전해질 수전해 저가화의 발목을 잡고 있다. 이러한 문제해결을 위한 대부분의 연구는 이리듐을 대체하는 새로운 촉매의 발굴에 주력하고 있다.

이리듐 함량 감소에 따른 급격한 성능 저하 및 계면 전자전달 저항 발생 현상 [자료=KAIST]

수전해 시스템에 사용하는 전극은 이리듐 촉매와 바인더로 구성된 촉매층과 티타늄 확산층 결합된 구조를 갖고 있다. 김희탁 교수 연구팀은 고분자전해질 수전해의 양극 내 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더의 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고 이를 규명했다.

이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면, 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막의 전자띠가 굽는 띠굽음(Band Bending) 현상이 일어난다. 연구팀의 결과에 따르면, 낮은 이리듐 함량의 전극에서는 이 띠굽음 현상이 바인더에 의해 증폭된다. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 더욱 어려워지므로 성능 저하가 발생하게 되는 것이다.

사진 왼쪽부터 KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수, KAIST 생명화학공학과 두기수 박사

연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계하는 경우, 이리듐 함량을 1/10 수준으로 저감시켜도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있음을 확인했다. 이는 전극계면의 조성을 변화시킴으로써 비싼 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 저감 가능하다는 것을 증명했다.

김희탁 교수는 “이번 연구결과는 그동안 베일에 싸여있던 이리듐 저감형 수전해 전극의 성능 문제를 짚어 그 이유를 규명하고 해결 전략을 제공했다는 점에서 중요한 의미가 있다”며, “이를 바탕으로 효율과 가격을 동시에 잡을 수 있는 그린수소 생산 시스템의 개발에 응용되기를 기대한다”고 말했다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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