수소는 화석연료를 개질(改質, reforming) 공정으로 생산하는 그레이 수소 생산량이 90% 이상을 차지하고, 생산 과정에서 이산화탄소를 대량 방출해 지구 온난화를 야기한다.

친환경 에너지원으로 알려진 수소 생태계 구축을 위해서는 수소 생산 과정에 온실가스 발생이 없어야 하고 경제성도 갖춰야 하는 이유다. 지구에서 친환경적이고 무한한 자원인 물을 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는 전기화학적 물 분해, '수전해(Water electrolysis)'는 이산화탄소 배출이 없어 그린 수소 생산 공법이라 할 수 있다. 다만 수전해 상용화를 위해서는 전기분해 에너지를 줄이는 촉매 개발 외에도 다양한 기반 기술이 필요하다.

국내 연구진, 전극 반응 방해하는 수소 기체를 빠르게 제거하는 전극 코팅 기술 개발

8일 울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 에너지화학공학과 류정기 교수팀이 전극에 수화젤(Hydrogel)을 코팅해 물 전기분해의 성능을 향상하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

어드밴스드 에너지 머터리얼즈 표지이미지. (다공성 전극에 코팅된 수화젤이 수소 기체를 전극 표면에서 제거하는 역할을 한다.) /이미지=UNIST 제공

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해당 연구는 논문명 'Superaerophobic Polyethyleneimine Hydrogels for Improving Electrochemical Hydrogen Production by Promoting Bubble Detachment(기포 분리를 촉진하여 전기화학적 수소 생산을 개선하기 위한 초혐기성 폴리에틸렌이민 하이드로겔)'로 전기화학 분야 국제 권위지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 표지논문으로 선정돼 8월 5일 자 게재됐다.

물의 전기분해 과정에서 생산되는 수소 기체가 고부가가치를 갖는 물질이지만, 전극 표면의 수소기체가 전극과 반응물이 전해질 사이의 접촉을 막가 원활한 반응을 방해해 전극에 가해지는 전압이 높아지고 반응속도도 느려지게 된다. 이는 전극의 반응을 방해해 수소 생산 효율을 낮추게 되는 것이다.

기존 전극(니켈 폼 전극)과 수화젤 코팅 전극 비교. (a) 수화젤 코팅 전극(아래)은 수소 기체 방울이 전극 표면에 잘 달라붙지 않기 때문에, 반응할 수 있는 면적이 넓어진다. (b) 기존 전극의 뼈대 안에 그물구조의 수화젤이 코팅된 모습. (c) 수화젤 코팅 전극은 공기방울이 전극에 잘 달라붙지 않고, 약 154도의 각도를 갖게 된다. 공기의 접촉각이 클수록 공기방물이 더 잘 떨어진다. /연구 이미지=UNIST 제공

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기저귀나 콘택트렌즈의 주재료로 사용되는 수화젤은 친수성(물과의 접촉성이 좋고, 기체를 밀어내려는 혐기성이 큰)과 다공성 구조를 가지는데 연구팀은 이러한 수화젤을 다공성 니켈과 같은 수전해 전극 표면에 코팅해 수전해 도중 생성된 수소 기체를 전극 표면에 빠르게 밀어내어 수전해 효율을 향상했다고 설명했다.

"수화젤을 전극에 코팅하게 되면 기체보다 물을 훨씬 더 좋아하는 성질인 '초혐기성(Superaerophobicity)'으로 기체가 밀려나게 된다. 전극에 수화젤을 코팅하지 않은 경우보다 고전압에서 150% 증가한 수소 생산 능력과 상용 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 지닌 것으로 알려진 루테늄에 버금가는 수소 생산 효율을 보였다"

기존 전극과 초혐기 코팅 전극을 각각 적용한 수전해 시스템의 성능 비교. (a) 수화젤 코팅 전극은 값 비싼 수소 촉매들보다 뛰어난 수소 생산성을 보여주었다. (b) 수화젤 코팅 전극은 20시간의 전기화학 테스트에도 성능이 유지되었다. (c) 공기/전극의 접촉 각도와 500mA/cm2 수준의 전류로 수소를 생산할 때, 필요한 전기에너지를 비교하였다. 공기방울을 밀어내는 초혐기 특성이 제일 강한 수화젤 농도 2%에서 수소생산에 필요한 전기에너지가 가장 적게 필요하였다. 따라서, 초혐기 특성을 나타낼 때 에너지전환 효율이 좋아졌다. /연구이미지=UNIST 제공

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기존에 사용해온 전극의 표면 나노 구조를 변형하거나 초음파 같은 외력을 기포를 털어내는 방식보다 간단하고 저렴해 상용화에 유리한 점을 가진다. 또한 전극 표면에 미세 구조를 만드는 방식은 대형화가 어렵고, 외력을 사용할 경우 추가 장비 등이 필요한 한계도 가진다.

연구팀은 "백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 없이도 수소생산에 필요한 전기에너지를 줄여줌(과전압을 낮춤)과 동시에 수소 생산량 속도를 증가시켜 에너지 전환 효율을 크게 향상했다"며 "그린 수소 생산기술 상용화에 도움이 될 것"이라고 말했다.

(왼쪽부터) 공동 교신저자 전다솜 박사, 제1저자 배미솔 석사과정 연구원, 강윤석 연구원과 류정기 교수 /연구진 사진=UNIST 제공

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해당 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 수소 생산에 필요한 비용을 획기적으로 낮추고, 개발된 코팅 방법이 대면적 제조에 용이해 수소 생산 설비 실용화와 수소 사회를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

케미컬뉴스 김지연 기자

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