국내 연구팀이 값비싼 백금 촉매 없이도 수소를 대량 생산할 수 있는 길을 열 핵심 소재를 개발했다.

2일 POSTECH에 따르면,화학공학과 박태호 교수 연구팀은 한국재료연구원(KIMS) 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀과 공동으로, 고온·고전류의 가혹한 환경에서도 장시간 안정적으로 작동하는 새로운 ‘음이온 교환막(AEM)’을 개발했다.

청정에너지로 불리는 수소는생산 비용과 기술적 장벽 때문에상용화에 어려움을 겪고 있는 것으로 알려졌다.태양광이나 풍력 등 재생에너지로 물을 분해해 얻는 그린수소는 생산 과정에서 탄소 배출이 전혀 없지만, 물 분해 효율을 높이기 위해 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매가 필요했다.

촉매 비용 문제를 해결할 대안으로 음이온 교환막(AEM) 수전해 기술이 주목받아 왔다. 이 기술은 물을 전기 분해할 때 전기 입자 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 특수한 분리막(AEM)을 사용한다.막의 성능만 확보된다면 백금 대신 니켈과 같은 상대적으로 저렴한 촉매를 사용할 수 있어 수소 생산 단가를 낮출 수 있다. 그러나 기존에 개발된 AEM들은 실제 산업 현장에서 요구되는 고온이나 고전류 조건에서는 쉽게 손상돼 내구성이 떨어지는 한계로 상용화에 어려움을 겪었다.

연구팀은 AEM의 고분자 구조 사이에 틈새 알킬 사슬(interstitial alkyl chain)이라는 특수한 분자 구조를 도입하는 방법으로 문제해결에 나섰다. 연구팀에 따르면, 틈새 알킬 사슬을 통해막 내부에서 이온의 이동 속도와 효율을 개선했다.

새로운 AEM은80도의고온에서도 우수한 이온 전도성을 나타냈다.강한 알칼리성 환경에서도 2000시간 이상 안정적인 성능을 유지했다. 더 나아가 수소 생산 장치에 적용해 진행한 실증 테스트에서는 70도환경에서 1.5A/㎠의 전류 밀도로 2400시간연속 작동하는내구성을 보였다. 이는 지금까지 학계에 보고된 AEM 수전해 시스템 중 최고 수준의 성능이라고 연구팀은 설명했다.

또한에너지 손실 또한 최소화했음을 입증했다. 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 정도를 나타내는 전압 강하율이 시간당 29마이크로볼트(µV) 이하로 낮았다.

박태호 교수는 “이번 연구는 수소 생산 기술의 비용 장벽을 허문 성과”라며“고온과 고전류 환경에서 AEM 수전해 기술의 약점을 극복함으로써 앞으로 친환경 수소 생산 기술의 산업 현장 적용이 더욱 빨라질 것”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’온라인판에 지난 5월 2일게재됐다.

/ 육지훈 기자 editor@popsci.co.kr