[기계신문] 최근 환경오염이 가속화됨에 따라, 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원을 찾기 위한 노력이 계속되고 있다. 그 중에서도 수전해 기술은 수소 사회 구현을 위한 수소 생산의 핵심 기술로 부상하고 있다.
이 중 상용화에 이른 장치가 바로 양이온 교환막 수전해 시스템으로, 기술 수준이 성숙하다는 평가를 받는다. 그러나 시스템의 정상적인 작동을 위해서는 백금, 이리듐 등 고가의 백금계 금속 촉매와 내부식성이 우수한 분리판을 사용해야 하는데, 이러한 요소들은 수소 생산의 단가를 낮추는 데 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
최근 UNIST 신소재공학과 이승걸 교수 연구팀이 저가의 비백금계 금속 촉매를 이용한 새로운 음이온 교환막 수전해 기술을 제시했다. 칼륨이 촉매 표면에 붙게 만들어 이오노머와 직접적으로 닿는 것을 줄이는 것이다. 이오노머가 산화되는 것을 막으면 수소 생산 비용을 절감할 수 있다.
일반 수소 생산 장치에서는 시간이 지나면서 이온 물질을 전달하는 이오노머의 성질이 변해 약해지기 쉽다. 이는 수소 생산 효율 저하와 장치의 수명 단축을 초래했다.
연구팀은 칼륨의 흡착 에너지가 유기 화합물보다 3배 이상 크다는 점을 활용했다. 수산화칼륨, 수산화나트륨 같은 물질이 음이온 교환막 수전해 시스템의 성능과 안정성을 높일 수 있음을 밝혀낸 것이다.
양이온 물질이 촉매 표면에 흡착해 이오노머와 촉매의 직접적인 접촉을 줄였다. 결국 이오노머의 산화를 막아 수소 생산 성능을 유지할 수 있음을 물질의 전자 구조를 계산하는 밀도범함수이론(DFT)을 통해 입증했다.
기존에도 염기성이 강한 수산화칼륨과 수산화나트륨 수용액을 이용해 성능을 개선하려는 시도는 있었으나, 그 구체적인 원리가 밝혀지지 않았다. 그러나 이번 연구에서 규명된 경쟁적 흡착 전략은 저가 촉매의 상용화 가능성을 한층 높일 것으로 전망된다.
임지훈 연구원은 “경쟁적 흡착 전략이 촉매와의 접촉면에서 발생하는 이오노머 소재의 전기화학적 산화를 줄이는 데 효과적”이라고 강조했다.
이승걸 교수는 "이번 연구가 고성능 알칼리 음이온 교환막 수전해 시스템을 비롯한 다양한 에너지 장치의 성능과 안정성을 개선하는 방향성을 제시할 것"이라고 언급했다.
미국 에너지부와 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구는 미국 로스 알라모스 국립연구소 Yu Seung Kim 박사 연구팀, 미국 버클리 대학과 버클리 랩의 Shannon Boettcher 교수와 공동으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’에 6월 2일 온라인으로 실렸다.
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