광주과학기술원(GIST)은 이재영 환경·에너지공학부 교수(에틀(Ertl)탄소비움연구센터장)팀이 철 이온 전해질 첨가제를 활용해 음이온 교환막 수전해에서 기존 수전해 셀보다 9배 높은 9000㎃ ㎠ 운전 가능한 고내구성 니켈-철 전극 및 전해질 첨가제를 개발했다고 23일 밝혔다.
현재 수전해용 촉매로 이리듐과 루테늄이 주로 사용되고 있으나 가격이 높아 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 산소발생 반응에 사용하기 위한 가격이 저렴하면서도 고성능·고내구성을 갖춘 비귀금속 전극촉매의 개발이 시급하다.
이 교수팀은 실시간 라만 분석으로 전해질인 철(Fe)이 산소발생반응 경로를 격자산소발생반응으로 바꿔 반응 속도를 향상시킨다는 사실을 확인했다. 유도결합플라즈마 분석으로 철이 전극에 지속적으로 재흡착되어 활성점(촉매 반응이 일어나는 지점)의 개수를 유지시킨다는 것도 규명했다.
수용액에 용해된 철은 전극의 산소가 산소발생반응에 참여하게 만드는데, 이것이 격자산소발생반응을 유발하여 활성점의 시간당 산소분자의 생성속도를 늘리는 것으로 나타났다.
연구팀은 고전류에 의한 부분 전해 용출이 격자산소 근처에 있는 철의 용출을 가속화시킨다. 하지만 동시에 수용액 속에 있는 철이 전극에 재흡착되는 원리를 통해 기존 상용 수전해 셀에 비해 9배 높은 9000㎃ ㎠ 의 전류밀도에서 작동 가능한 표준 크기(9.0㎠)의 전극을 개발했다. 이 전극이 512㎠의 프로토타입 스택에 적용 가능하다는 것을 증명하고 수전해 전극의 핵심 요소로 500시간 동안 안정적으로 작용하는 것을 확인했다.
이재영 교수는 “이번 연구 결과는 단위 면적당 9배 이상의 고순도 그린수소를 생산할 수 있는 전해질을 설계함으로써 수전해 기술의 성능과 내구성 문제를 동시에 해결했다는 데 의의가 있다”면서 “특히 탄소중립 시대에 걸맞은 친환경 연구 성과로서 막전극접합체(MEA) 전문 실증(PoC) 기업인 이써스와 함께 상용화를 모색할 계획”이라고 말했다.
이교수(교신저자)와 강신우 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)이 지원하는 해외우수연구기관 공동연구사업과 국가 수소 중점연구실사업의 지원으로 수행했다. 화학공학 분야의 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 최근 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
