한국연구재단, 수소경제 앞당길 수전해 전극 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 수소 생산의 가격 경쟁력 및 에너지 효율을 높일 수 있는 새로운 방안이 제시됐다.

한국연구재단은 인천대 권오중 교수, 성균관대 김명준 교수, 서울대 성영은 교수 공동 연구팀이 수소 생산을 위한 수전해 기술의 고전류 영역에서 에너지 효율을 높일 수 있는 고분자 전해질 수전해용 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다고 밝혔다.

수전해 기술에서 수소 생성 반응과 짝을 이루는 산소 발생 반응이 일어나는 전극은 반응물인 물과 생성물인 산소가 서로 상반된 방향으로 이동해야만 반응을 원활하게 유지할 수 있지만, 이 두 가지 상은 서로의 흐름을 방해하며 수전해 특성을 저해한다는 단점이 있다. 특히, 이 같은 특성은 고전류 영역에서 더 강해진다.

따라서 반응의 활성은 높이면서 물과 산소의 이동을 용이하게 하는 새로운 형태의 전극 개발이 필요하다.

연구팀은 기존의 전극 구조가 아닌 고전류에서 효율이 좋은 일체형 전극 구조를 활용해 단점을 보완하는 방법으로 다공성 전달층과 촉매층의 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다.

일체형 전극은 다공성 전달층 위에 고르게 촉매가 분포하는 장점은 있지만, 표면적이 넓지 않아 담지할 수 있는 촉매의 양이 제한된다는 단점이 있다.

연구팀은 일체형 전극의 표면적을 넓히기 위해 다공성 전달층에 체크 패턴의 다공성 탄소 지지체를 형성하고 표면적뿐만 아니라 지지체 내부까지 고르게 분포되는 촉매를 만들어 표면의 탄소 소실에도 내부의 촉매가 지속적으로 노출되어 활성을 유지하도록 했다.

이러한 촉매층은 다공성 전달층 내부까지 고르게 형성되지만 다공성 전달층의 기공은 막지 않아, 산소가 전극 전체에 고르게 생성되면서 물의 공급은 원활하게 하여 고전류 영역에서도 우수한 성능을 확보할 수 있다.

실험을 통해 적은 양의 귀금속 촉매 사용으로도 높은 활성을 유지했을 뿐만 아니라, 고전류 영역에서도 물질 전달이 원활함을 증명했다.

이번에 개발된 일체형 전극은 액체를 반응물로 사용하고 기체 발생을 수반하는, 혹은 기체를 반응물로 사용하고 액체 발생을 수반하는 전기화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.