[투데이에너지 홍시현 기자] 바닷물로 수소를 생산할 때 걸림돌인 무기침전문제를 최소화할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 대용량 해양그린수소 생산에 한걸음 다가섰다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연) 해양융복합연구팀의 한지형 박사 연구팀이 바닷물에서 바로 수소를 생산할 때 해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기침전물의 성장 속도를 감소시켜 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 확보했다고 밝혔다.
한지형 박사 연구팀은 물 해리반응(Water dissociation: H2O → H+ + OH-)이 일어나는 양극성 막을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 무기침전을 제어했다.
물 환원반응으로 수소(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성되고 수산화이온은 해수에 포함된 마그네슘 양이온(Mg2+)과 결합해 무기침전물이 전극 표면에 형성된다. 이 무기침전반응이 수산화이온을 전극 계면에 잡아두는 역할을 해 해수의 pH 상승을 억제한다. 이와 동시에 양극성 막에서는 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)으로 분리되고 환원용액에 양성자를 공급해해수를 산성화시키는 역할을 한다.
결과적으로 물 환원반응, 무기침전반응 그리고 물 해리반응의 상호작용을 통해서 해수는 산성화된다. 해수 산성화는 분산형 무기침전물 형성을 완전히 억제하고 환원전극 계면에 형성된 무기침전물의 두께를 최소화하며 환원전극전압을 낮추는 역할을 한다.
직접해수전해는 해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산이 가능해 수소경제 활성화에 기여할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 무기침전문제를 해결할 수 있는 방법을 제시함으로써 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 더 높아졌으며 부유식 해상풍력 플랫폼과의 연계 시스템을 통한 해양그린수소 생산을 기대할 수 있다.
한지형 해양융복합연구팀 박사는 “양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견했다”라며 “이번 연구결과를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보했고 대용량 스택 개발의 가능성을 크게 높였다”고 말했다.
(a) 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)을 격막으로 사용할 경우 해수 염기성화가 진행되어 분산 형태의 무기침전물 형성. 게다가 염화이온이 산화용액 쪽으로 이동해 염소발생반응이 일어남. 부산물로 인해 산화용액은 노랗게 변색. (b) BPM을 격막으로 사용하면 해수 산성화로 인해 분산형태의 무기침전물 형성이 크게 억제돼 투명한 상태의 해수를 유지함. 산화용액은 강염기성을 그대로 유지해 산소발생반응이 선택적으로 일어남.
양극성 막(bipolar membrane, BPM): 양이온교환층(cation exchange layer, CEL)과 음이온교환층(anion exchange layer, AEL)으로 이뤄진 이중층 구조 사이에 물 분해를 돕는 촉매가 포함돼 있다. 양 단에 전압이 걸리면 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)로 분리된다.