한국과학기술원(KAIST)은 비싼 백금 촉매 없이도 수소를 생산할 수 있는 수전해 기술(물을 전기분해 해 수소를 생산하는 기술)을 개발했다고 11일 밝혔다.
최근 고순도 수소를 고압으로 생산할 수 있는 양이온 교환막 수전해(PEMWE) 기술이 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 다만 고가의 귀금속 촉매에 대한 의존도가 높아 상용화에 어려움이 있었다.
생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 한국에너지기술연구원 두기수 박사와의 공동 연구를 통해 계면 구조 설계를 최적화하는 방법으로 고가의 백금 코팅 없이도 고성능을 낼 수 있는 양이온 교환막 수전해 기술을 개발했다.
연구팀은 수전해 전극에서 이리듐 산화물이 제 성능을 내지 못하는 원인에 주목했다. 촉매와 기판 사이의 절연층에 가까운 이오노머가 전자의 흐름을 방해해 전자 통로가 차단되는 현상이 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
이에 다양한 입자 크기의 촉매를 비교·분석하는 등 시뮬레이션을 통해 20㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 이상 크기의 촉매 입자를 사용할 때 전도성이 회복된다는 것을 실험적으로 입증했다.
촉매 입자 크기, 이오노머 분포, 촉매층 구조를 통합적으로 고려한 계면 설계를 통해 귀금속 사용량을 획기적으로 줄이면서도 고효율을 달성할 수 있는 양이온 교환막 수전해 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.
김희탁 교수는 “고성능 수전해 기술의 병목현상이었던 계면 전도성 문제를 해소할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다”며 “수소 경제 실현을 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘에너지와 환경과학’(Energy & Environmental Science) 지난 7일 자에 실렸다.
헬로티 이창현 기자 |
