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바닷물에서 전극 부식 없이 수소 얻는다

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2019년 03월 19일 14:13 프린트하기

홍지에 다이 미국 스탠퍼드대 화학과 교수 연구팀은 바닷물에서도 깨끗한 물에서처럼 수소를 얻는 기술을 개발했다는 연구결과를 18일 공개했다. 연구팀이 개발한 태양광 기반의 바닷물 전기분해장치의 모습이다. 다이 교수 연구팀 제공
홍지에 다이 미국 스탠퍼드대 화학과 교수 연구팀은 바닷물에서도 깨끗한 물에서처럼 수소를 얻는 기술을 개발했다는 연구결과를 18일 공개했다. 연구팀이 개발한 태양광 기반의 바닷물 전기분해장치의 모습이다. 다이 교수 연구팀 제공

미래 에너지 대안으로 꼽히는 수소의 가장 큰 문제점 중 하나는 생산 과정에서 경제성을 확보하는 일이다. 화학공장의 부산물로 나오는 부생 수소나 물을 전기분해해 얻는 수전해 수소 등 다양한 생산 기술이 연구되고 있는 가운데 미국 과학자들이 바닷물에서 전극 부식 없이 전기분해로 수소를 얻는 기술을 개발했다.

 

홍지에 다이 미국 스탠퍼드대 화학과 교수 연구팀은 바닷물에서도 전극의 부식이 일어나지 않고 깨끗한 물을 전기분해할 때와 비슷한 수준의 수소를 얻는 기술을 개발했다는 연구결과를 이달 18일 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 실었다.

 

수소를 얻는 방법 중 하나는 물을 전기분해하는 것이다. 전기가 흐르도록 전해질을 섞은 물에 음의 전극과 양의 전극을 꽂아 넣고 전류를 흘리면 된다. 양이온인 수소 이온은 음극으로 이동해 전자를 받고 수소 기체로 탈바꿈한다. 반대쪽 양극에서는 음이온인 산소 이온이 전자를 내놓고 산소 기체로 바뀐다.

 

전기분해는 쉬운 방법이지만 경제성이 떨어진다는 게 문제다. 투입되는 전기에 비해 얻는 수소량이 부족하다. 깨끗한 물 자체가 비싼 점도 문제다. 이에 무한히 있다고 표현할 만한 바닷물을 활용하는 방법도 연구되고 있다. 이 경우는 전기분해 과정에서 소금 성분인 염화물이 양극으로 이동해 양극을 부식시키는 게 문제다. 오랫동안 장치를 유지하지 못하고 계속해서 전극을 갈아줘야 해 경제성이 떨어진다.

연구팀은 양극에 음전하가 풍부한 층을 코팅하는 방식으로 문제를 해결했다. 니켈 전극을 니켈 황화물이 감싸도록 한 후 그 위에 니켈-철 수산화물 전극을 코팅하는 방식의 새로운 구조를 만들었다. 니켈 황화물은 음의 전하를 띄어 염화물이 전극에 올 경우 밀어내는 역할을 한다. 니켈-철 수산화물은 전자를 제공하는 역할을 한다.

 

연구팀이 만든 전극은 바닷물과 같은 염화물이 있는 상황에서도 오랜 시간 동작했다. 수산화칼륨과 염화나트륨을 섞은 용액에 전극을 넣고 전기분해를 진행했더니 코팅한 전극의 경우 1000시간이 지나도 성능이 떨어지지 않았다. 반면 코팅이 없는 전극은 12시간만에 부식이 일어나 전극이 부서졌다.

 

상업적인 전기분해 전류량도 잘 버텨냈다. 수소를 얻기 위해 상업적으로 전기분해할 때 필요한 전류 밀도인 1제곱센티미터(㎠)당 0.4~1암페어(A)에서도 전극은 동작에 문제가 없었다. 바닷물을 이용한 전기분해는 부식 때문에 상업용 전류량의 10분의 1수준만 쓸 수 있다는 단점이 있었다. 캘리포니아 앞바다의 바닷물을 가지고 실험했을 때도 1㎠당 0.4A의 전류를 흘렸을 때 2.1V볼트(V)의 전압을 안정적으로 유지했다.

 

다이 교수는 “정수된 물을 사용해서는 수소 수요를 감당할 수 없을 것”이라며 “이 연구는 현재 업계에서 쓰는 전류와 같은 수준으로 바닷물을 전기분해 할 수 있음을 보여준다”고 말했다.

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