KAIST, 그린수소 생산 ‘기포 막힘’ 난제 해결

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 청정 수소를 만드는 ‘수전해’ 기술의 고질적 난제였던 기포 막힘 현상을 해결하는 획기적인 전극 구조를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원, 건국대학교와 촉매 활성 자체를 높이는 기존 방식에서 탈피해 물과 기체가 지나가는 길을 새롭게 설계하는 방식으로 수전해 성능과 안정성을 동시에 확보했다고 28일 밝혔다.

재생에너지로 수소를 생산하는 수전해 기술은 고전류로 운전할 때 촉매층 내부에 수소 기포가 쌓여 통로를 막고 효율을 떨어뜨리는 한계가 있었다.

연구팀은 미세한 구멍이 많은 '2차원 메조다공성 탄소 나노시트'를 활용해 물질들이 직선으로 이동할 수 있는 저굴곡 구조를 전극 내부에 구현했다. 물과 기체가 정체 없이 빠르게 지나갈 수 있는 통로를 깔아준 셈이다.

여기에 결함이 도입된 탄소 표면에 루테늄 나노클러스터를 안정적으로 고정해 반응 속도를 높이고, 장시간 구동 시에도 촉매가 손상되지 않도록 경계면 구조를 정밀하게 제어했다.

그 결과 80℃ 환경에서 세계 최고 수준인 17.1Acm⁻²의 전류밀도를 기록하며 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2026년 목표치를 크게 뛰어넘었다.

이는 단위 면적당 흐르는 전류량이 극대화되어 동일 시간 동안 훨씬 많은 양의 청정 수소를 빠르게 생산할 수 있음을 의미한다.

또 비싼 귀금속인 루테늄의 사용량을 0.09mgRu cm⁻² 수준으로 크게 줄이고도 1000시간 이상 안정적으로 작동해 실제 산업 현장에서의 경제성과 활용 가능성을 동시에 입증했다.

이진우 교수는 “이번 연구는 촉매 물질 자체의 개선을 넘어 에너지가 흐르는 길의 구조까지 함께 설계해 수전해 효율을 극대화한 기술”이라며 “적은 양의 귀금속만으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해져 친환경 수소 상용화 시기를 크게 앞당길 것”이라고 설명했다.