【창원=뉴시스】홍정명 기자= 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발한 재료연구소 최승목(앞줄 왼쪽 두 번째) 선임연구원, 양주찬(앞줄 왼쪽 첫 번째) 박사 등 연구진.2019.07.23.(사진=재료연구소 제공) photo@newsis.com

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【창원=뉴시스】홍정명 기자 = 경남 창원에 있는 재료연구소(KIMS· 소장 이정환)는 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀이 청정 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 효율과 내구성을 증가시키는 역할을 하는 고효율 비귀금속 촉매를 저가로 합성 가능한 '고신뢰성 전착 공정 기술'을 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.

온실가스 저감을 위한 신기후체제 출범 후 무한 재생산 가능한 수소에너지에 대한 관심이 높아지고 있지만, 현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료를 기반(개질 수소, 부생 수소 등)으로 하고 있어 진정한 의미의 청정 에너지원이라고 부르기는 어렵다.

반면에 버려지는 유휴(예비) 전력으로 물을 전기분해하여 생산되는 수소는 사용 후 다시 물로 되돌아가기 때문에 완전한 청정 에너지원이어서 주목받고 있다.

그러나 수소를 생산하기 위한 수전해 시스템 중 하나인 '음이온 교환막 수전해'는 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있으나 사용되는 촉매의 활성과 내구성이 낮은 단점이 있고, 이로 인해 여전히 산소 발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물(IrO2) 또는 수소 발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담지된 백금(Pt/C)을 사용하는 실정이다.

이에 최승목 박사 연구팀은 '음이온 교환막 수전해'의 단점을 해결하기 위해 저가의 고성능·고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를 개발하는 데 성공했다.

재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판 위에 바로 증착됨으로써 촉매 합성 공정을 단순화한 것이다.

연구팀은 변수가 많고 시행착오적 연구에 기반을 둔 기존의 전극 제조 공정(촉매 합성-촉매 슬러리-전극 코팅)에서 벗어나, 단일 원소가 아닌 Cu, Co를 동시에 2원계로, Cu, Co, P를 동시에 3원계로 2차원 나노 구조 형상으로 전극 기판에 직접 전착(electrodeposition)할 수 있는 원스텝 공정을 개발했다.

이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상하고, 기존 공정에 사용되는 접착제(binder)를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다.

그럴 뿐만 아니라 수소 발생의 주요 저항 중 하나인 물질 전달 저항을 감소시키고, 수소·산소 발생 효율과 내구성을 비약적으로 향상해 기존 귀금속 이리듐 산화물 촉매에 버금가는 우수한 특성을 구현했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 이리듐 산화물 촉매보다 1.5배 우수한 활성의 촉매를 개발했고, 관련 연구 결과를 논문에 투고했다.

【창원=뉴시스】홍정명 기자= 재료연구소 최승목 박사 연구팀이 개발한 촉매를 적용하기 위한 대면적 전극이 장착된 음이온교환막 수전해 스택(19셀) 실험 장치.2019.07.23.(사진=재료연구소 제공) photo@newsis.com

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또한, 실제 상황에서 개발된 촉매의 성능을 평가하기 위해 자체적으로 개발한 단위 셀(single cell)에서 평가를 진행했고, 더 나아가 상용화 가능 단계인 스택에서의 실증 연구를 진행하고 있다.

수소 관련 세계 시장은 2018년 기준 약 1460억 달러(USD)의 천문학적인 규모로 연평균 8%씩 증가해 2023년에는 약 2000억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다.

연구팀은 개발한 기술이 재생에너지 발전 비중 증가에 기여하고, 동시에 버려지는 유휴전력을 활용해 수소를 생산(수전해)-저장(수소저장합금 또는 용기)-활용(연료전지) 할 수 있는 수소에너지 저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또한, 대부분 수입에 의존하는 에너지전환 촉매 분야에서 국산화에 의한 수입대체 효과뿐만 아니라 수출도 가능할 것으로 전망했다.

연구책임자인 최승목 선임연구원은 "개발 기술을 통해 높은 수소 발생 효율을 보이는 저가의 비귀금속 촉매 전극을 원스텝으로 재현성 있게 대면적으로 제작하는 것이 가능해졌다"면서 "이를 통해 저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

최 박사 팀의 이번 연구는 재료연구소 자체 연구사업과 한국에너지기술평가원 신재생에너지융합원천기술개발사업 지원을 받아 수행했으며, 관련 원천특허 출원과 함께 시스템 실증을 위한 후속 연구와 상용화를 위한 기술이전을 진행 중이다.

관련 연구 논문은 미국 화학회(American Chemical Society)의 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)지 2019년 6월 17일자(제1저자 재료연구소 박유세)와 에이씨에스 어플라이드 머테리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)지 2018년 11월 14일자(제1저자 재료연구소 장명제) 표지논문으로 각각 게재됐다.

hjm@newsis.com

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