[투데이에너지 최인영 기자] 수소를 만들어내는 전해조 성능을 향상시키는 기술이 개발되면서 그린수소 생산 기술 상용화에 한 발 더 다가설 것으로 평가받고 있다.
UNIST는 에너지화학공학과 권영국 교수팀이 음이온 교환막과 지지체 사이에 촉매층을 직접 성장시켜 MEA(막전극접합체, Membrane Electrode Assembly)를 제조하는 ‘막-촉매-지지체 일체형 전극 제조기술’을 개발했다고 22일 밝혔다.
산소를 발생시키는 대표적 촉매인 니켈, 철 기반 촉매층을 음이온 교환막과 전극 지지체 사이에 직접 성장시켰을 뿐 아니라 계면 저항과 전극 촉매 안정성도 높였다고 덧붙였다.
음이온 교환막 수전해 기술은 음이온만 선택적으로 이동시키는 교환막을 전해질로 사용해 수소를 생산하는 시스템이다. 기존 시스템의 단점을 보완하고 장점을 높였지만 상업화를 위한 성능 개선이 필요했다.
연구팀은 강한 환원제인 BH4-를 음이온만 통과시키는 음이온 교환막을 통해 이동시켰다. 이동한 환원제를 금속이온과 반응을 유도해 전극 지지체와 음이온 교환막 사이에 활성 촉매층을 성장시켰다.
해당 기술을 적용한 전해조는 기존 대비 두 배 낮은 계면 저항성을 보였다고 설명했다. 50℃ 알칼리성 환경에서 기존 전해조보다 약 100mV 이상 낮은 셀 전압(1.79V)으로도 전류밀도 1A/㎠를 나타내는 성능을 보일뿐 아니라 400시간 이상 구동테스트에서 낮은 열화 속도(0.07mV/h)를 보이며 안정성을 입증했다고 덧붙였다.
연구팀은 막전극접합체 제조 과정에서 일반적으로 쓰이는 이오노머 대신 촉매층을 직접 성장시킨 것이 주요 원인이라고 밝혔다.
이오노머는 기존 분말 형태 촉매를 고정시키고 반응에 필요한 이온을 전달하는 역할을 하고 있다. 하지만 과량 사용 시 촉매가 반응하는 부위를 막거나 생산되는 산소와 수소가스의 배출을 저하시켜 촉매가 탈락하는 등의 문제를 일으키고 있다.
개발된 기술은 이오노머를 배제하고 촉매층을 직접 성장시켜 막-촉매-지지체 계면을 최적화함으로써 성능과 안정성을 모두 개선했다고 설명했다.
제1저자인 공태훈 석박통합과정 연구원은 “기존 막전극접합체 제조 기술에서 이오노머에 의한 문제점이 뚜렷해 이오노머 없이 촉매층을 형성하는 기술개발이 필요했다”며 “음이온교환막의 특성을 활용한 화학적 환원 방법을 도입해 성능과 안정성 모두를 개선시키는 막전극접합체 제조기술을 개발했다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견과제, 산업통상자원부 에너지기술개발사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
연구 성과는 에너지·환경분야 권위지 ‘ACS Energy Letters’ 표지 논문에 선정돼 지난달 13일 온라인 게재되고 이달 10일 출판됐다.