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전기분해 수소 생산, 저가·효율 동시에 잡는다

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전기분해 수소 생산, 저가·효율 동시에 잡는다

2019.07.23 12:00
이번 연구에 참여한 재료연구소 연구진. 재료연구소 제공.
이번 연구에 참여한 재료연구소 연구진. 재료연구소 제공.

국내 연구진이 전기분해를 통해 수소를 생산하는 수전해 시스템 제작 단가를 줄일 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 

 

한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부 최승목 선임연구원 연구팀은 기존 귀금속 촉매보다 저렴하면서 촉매 활성이 1.5배 높은 촉매 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 

 

정부가 의욕적으로 추진중인 수소경제시스템이 완성되려면 경제적이고 안정적으로 수소를 생산하고 공급하는 게 중요하다. 현재 생산되는 대부분의 수소는 석유화학 공정에서 발생하는 부생 수소 등 화석연료를 기반으로 하고 있다.  

 

경제적이고 안정적으로 수소를 생산하는 대표적인 방법이 물을 전기분해하는 수전해 시스템이다. 수전해 시스템 중 ‘음이온 교환막 수전해’는 기존의 알칼리 수용액 수전해나 양이온 교환막 수전해의 장점을 동시에 갖고 있다. 특히 저렴한 비귀금속 촉매를 사용해 고순도의 수소를 고압으로 생산할 수 있다. 

 

그러나 음이온 교환막 수전해는 촉매 활성과 내구성이 낮은 게 흠이다. 고가의 이리듐 산화물이나 백금 촉매를 사용해야 하는 한계도 있다. 

 

연구팀은 이 문제를 개선하기 위해 저렴하지만 성능이 뛰어나고 내구성도 좋은 비귀금속 나노구조 촉매를 개발했다. 구리와 코발트, 인을 활용해 2차원 나노 구조 형상으로 전극 기판에 직접 촉매를 전착할 수 있는 원스텝 공정도 개발했다. 

개발된 촉매를 적용하기 위해 대면적 전극이 장착된 음이온교환막 수전해 스택 실험 장면. 재료연구소 제공.
개발된 촉매를 적용하기 위해 대면적 전극이 장착된 음이온교환막 수전해 스택 실험 장면. 재료연구소 제공.

이렇게 만든 비귀금속 촉매는 기존 귀금속 이리듐 산화물 촉매에 비해 수소 및 산소 발생 효율이 뛰어난 것으로 분석됐다. 촉매 활성이 기본적으로 4배 정도 증가했으며 이를 수전해 시스템에 직접 적용했을 경우 촉매 활성이 1.5배 우수한 것으로 나타났다. 

 

연구진은 이번 촉매 기술 개발로 유휴전력을 활용해 수소를 저렴하게 생산할 수 있을 것으로 내다봤다. 유휴전력으로 저렴하게 수소를 생산, 저장했다가 저장된 수소를 활용해 연료전지를 통해 전력을 공급할 수 있는 에너지저장시스템을 구현할 수 있다는 얘기다. 시스템을 각 가정에 보급하면 생산된 수소를 이용해 가정에서 수소전기차를 직접 충전할 수도 있다. 

 

최승목 재료연 선임연구원은 “수소 발생 효율이 높은 저가의 비귀금속 촉매를 제작하는 게 가능해졌다”며 “저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템 상용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 말했다. 연구결과는 미국화학회가 발간하는 학술지 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)’와 ‘ACS 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’에 표지논문으로 게재됐다. 

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