충북대 연구팀 '재생 에너지를 활용하는 음이온 교환막 수전해 기술' 개발

신소재공학과 박유세 교수·KAIST 이혁모 교수 연구팀 융합연구

박유세 신소재공학과 교수(교신저자), 제1저자 신소재공학과 하준석 학생, 이혁모 KAIST 교수(교신저자), 박영태 KAIST 박사(제1저자)

ⓒ 충북대학교

［충북일보］ 충북대학교는 신소재공학과 박유세 교수 연구팀이 '재생에너지를 활용하는 음이온 교환막 수전해 기술'을 국내 최초로 개발했다고 2일 밝혔다.

이번 연구는 KAIST 이혁모 교수 연구팀과 융합연구로 진행됐으며, 연구 성과는 다학제 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, IF: 15.1)에 게재됐다.

음이온 교환막 수전해 기술은 저렴한 비귀금속을 전극 소재로 사용할 수 있어 수소 생산 비용을 현저히 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 비귀금속 촉매의 낮은 활성과 복잡한 전극 제조 공정은 음이온 교환막 수전해 기술의 상용화를 어렵게 하는 걸림돌로 작용했다.

충북대 연구팀은 니켈과 철 기반의 산소 발생 촉매에 미량의 코발트(Co)를 도입해 산소 발생 촉매의 활성을 획기적으로 향상시켰다. 동시에 상온에서 외부의 에너지 없이 자발적으로 다공성 금속 기판에 산소 발생 촉매를 성장시켜 기존의 복잡한 전극 제조 공정을 간소화했다. 해당 전극 제작 기술은 대면적화가 용이해 음이온 교환막 수전해 기술의 상업화를 위한 전극 제작 기술로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

개발된 니켈-철-코발트 기반 산소 발생 전극은 산소 발생 반응의 전기화학 활성화 장벽과 음이온 교환막 수전해의 활성화 손실을 획기적으로 감소시켜 우수한 성능을 달성(1.94 A/cm2 @ 1.8 V)했고, 고가의 귀금속(Ir, Pt) 기반 전극이 적용된 음이온 교환막 수전해보다 높은 에너지 변환 효율을 보였다.

연구팀은 수전해 기술의 궁극적인 목표인 재생 에너지로부터의 그린 수소 생산을 실현하기 위해 태양전지와 음이온 교환막 수전해 기술을 통합했다. 니켈-철-코발트 기반 산소 발생 전극이 적용된 음이온 교환막 수전해 셀과 실리콘 태양전지의 통합 시스템은 12.44 %의 높은 태양광-수소 변환 효율(Solar-to-Hydrogen conversion efficiency)을 달성했으며, 이를 통해 재생 에너지원으로부터 생산된 전력을 활용하는 음이온 교환막 수전해 기술의 실현 가능성을 최초로 제시했다.

이번 연구는 이혁모 교수(KAIST), 최승목 박사(한국재료연구원), 강봉균 교수(순천향대학교)가 공동 연구진으로 참여했으며, 한국연구재단이 주관하는 기본연구와 지역혁신 선도연구센터(RLRC)사업, 재생에너지 연계 폐양액 이용 수전해 수소 생산 기술 연구 지원으로 수행됐다.

/ 김금란기자