[이데일리 김현아 기자] 서울대 공과대학 재료공학부 한정우 교수 연구팀이 HD한국조선해양과 손잡고 바닷물에서도 성능이 유지되는 수전해 촉매 기술을 개발하며 ‘해수 기반 그린수소’의 실용화 가능성을 넓혔다. 정제수(순수)에 의존하던 기존 수전해 방식의 한계를 넘어, 사실상 무한한 수자원인 바닷물을 활용해 수소를 만들 수 있는 길을 연 것이다.

한정우 서울대 재료공학부 교수

물 전기분해는 탄소중립 시대의 핵심 수소 생산 기술로 꼽히지만, 산업 현장에서는 물 확보와 정제 비용이 걸림돌이었다. 해수는 대안이 될 수 있으나 염소 이온 농도가 높아 촉매가 부식되거나 염소 발생 반응이 경쟁적으로 일어나 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 해수 직접 수전해가 오랫동안 ‘난제’로 남아온 이유다.

연구팀은 이 문제를 풀기 위해 계산과학 기반 예측과 실험 검증을 결합한 촉매 설계 전략을 구축했다. 밀도범함수 이론(DFT) 등 계산화학을 통해 후보 물질을 선별하고, 실제 합성·실험으로 바닷물 환경에서의 성능과 내구성을 확인하는 방식이다.

이번 산학 공동연구의 성과는 단기간에 지식재산과 논문으로 이어졌다. 연구 기간 동안 국내 특허 6건, 해외 특허 1건 등 총 7건을 출원했다. 핵심 결과는 국제 저명 학술지에도 연속으로 발표됐다.

산화전극에서의 산소 발생 반응(OER) 연구는 ACS Energy Letters에 게재됐고, 해당 논문은 저널의 Supplementary Cover로 선정됐다. 환원전극에서의 수소 발생 반응(HER) 연구는 Advanced Functional Materials에 실렸으며, Inside Front Cover로 뽑혔다.

기술적으로는 두 축을 동시에 잡았다는 평가다. OER 촉매 분야에서는 염소 이온으로 인한 부식과 부반응을 억제해 해수 환경에서도 안정적으로 산소 발생 반응이 진행되도록 설계했다. HER 촉매 분야에서는 백금(Pt) 기반 촉매의 대체 가능성을 겨냥해 비귀금속·저비용 촉매를 제시했다.

특히 Ni-V(니켈-바나듐) 기반 HER 촉매는 고전류 조건에서 상용 Pt/C 촉매를 웃도는 성능을 보였고, 장시간 해수 환경에서도 안정적으로 작동한 것으로 보고됐다. 해수 수전해가 상용화 단계로 가려면 “성능”과 “버티는 힘”을 함께 확보해야 하는데, 두 과제를 동시에 겨냥했다는 점에서 의미가 크다는 설명이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 ‘설계-검증’의 속도를 끌어올리는 기반도 마련했다고 밝혔다. 계산과학으로 후보를 좁힌 뒤 실험으로 빠르게 검증하는 체계를 정립하면서, 향후 촉매 개발에서도 기술 도출과 지식재산 확보를 단기간에 이어갈 수 있는 방법론을 확보했다는 취지다.

(왼쪽 위부터) 정현정 박사후연구원 (전 서울대, 현 스탠퍼드대), 이예찬 박사과정생 (포항공과대학교), 송지현 연구원 (HD한국조선해양), 한정우 교수 (서울대 재료공학부), 조규리 박사과정생, 김우열 교수(한국에너지공과대학교), 박성일 선임연구원, 박상민 소장 (HD한국조선해양).

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한정우 교수는 “계산과학으로 도출한 설계가 실제 실험 환경에서도 성과로 이어졌다는 점에서 학술적·산업적 의미가 크다”고 말했다.

이번 공동연구는 학문적 성과에 그치지 않고, 조선·해양 산업 현장에서 요구되는 ‘실환경 기반 수소 생산’이라는 과제를 정면으로 겨냥했다는 점에서 산학협력의 모범 사례로도 거론된다. HD한국조선해양은 해양 산업의 현장성과 인프라를 바탕으로, 기술 검증과 상용화 가능성 확보에 협력한 것으로 전해졌다.

주저자인 정현정 연구원은 연구 수행 당시 서울대 신소재공동연구소에서 박사후연구원으로 재직했으며, 현재는 스탠퍼드대 박사후연구원으로 계산화학 기반 전기화학 촉매 개발 연구를 이어가고 있다.