 알칼라인 수전해 성능은 올리고 비용은 낮게 금속나노입자-금속산화물 촉매, Bi-functional 유연전극 등
한국은 2018년부터 수소경제를 혁신성장전략의 3대 투자 분야 중 하나로 선정했다. 수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제산업 구조를 말한다. 수소경제가 실현된다면 95% 이상 수입에 의존하던 에너지를 자급하며 에너지 안보를 확보할 수 있고, 탄소중립에도 크게 기여할 수 있다. 그러나 여전히 수소의 생산과 저장, 유통 등 해결해야 할 기술적 문제가 있다. 더구나 지금까지 수소는 화석연료에서 추출하는 방식으로 생산돼 환경 친화적이지 않았다. 따라서 그 대안으로 수전해 기술이 주목 받고 있다. (메인 이미지: 한국에너지기술연구원 등 공동연구팀이 개발한 고성능 수전해 촉매 개념도)
정리 강창대 기자 자료 한국에너지기술연구원, 광주과학기술원(GIST), 인하대학교
2050 탄소중립을 실현하기 위해 많은 국가들이 탈탄소화 전략을 마련하고 구체화하고 있다. 우리나라는 탄소중립 실현의 핵심수단으로 수소를 10대 기술로 선정하고, 전주기적 수소기술 개발에 박차를 가하고 있다. 수소 생산 방식인 수전해 기술은 온실가스를 배출하지 않는 친환경적 방법이다.
전기를 이용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 기술은 크게 알칼라인 수전해, 고체고분자전해질(PEM) 수전해, 그리고 고체산화물을 이용한 고온수증기 전해기술 등이 있다. 알칼라인 수전해 기술은 KOH 또는 NaOH 수용액을 전해질로 사용하여 염기성 환경에서 물을 전기분해하는 방식으로, 수전해 기술 중 역사가 가장 오래됐고 완성도가 높은 기술로 평가된다. 이외에 고체고분자전해질 수전해 기술은 전해질과 분리막으로 PEM 막을 이용하고, 고체산화물을 이용한 고온수증기 전해기술은 수소 또는 산소이온 전도성을 갖는 산화물을 전해질과 분리막에 활용하는 방식이다.
전기를 사용하는 수전해 기술은 고가의 전력비용이 발생해 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다. 따라서 이러한 문제를 해결하는 방안으로 적은 에너지로도 다량의 수소를 생산할 수 있는 높은 성능과 내구성을 가진 촉매개발이 요구되고 있다. 이번 편에서는 최근에 발표된 수전해 촉매 연구·개발 사례를 살펴보았다.
금속-금속산화물 시너지 이용 한국에너지기술연구원 플랫폼연구실 김병현 박사 연구진(수소연구단 조현석, 김창희 박사)이 경북대학교(김명진 교수), 조지아텍(Georgia Institute of Technology, 이승우 교수)과의 공동연구를 통해 저렴하면서도 고성능, 고내구성을 지닌 수전해 촉매를 개발했다.1) 이 촉매는 하나의 금속산화물에서 온도 조절만으로 나노입자의 조성을 최적화해 더 많은 산소와 수소를 발생시킨다. 또한 이 기술은 계산과학을 통해 그 원리가 규명됨으로써 수전해와 연료전지 기술 등 다양한 전기화학 촉매 분야에 광범위하게 적용 될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
연구진은 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원 온도가 서로 다르다는 것에 착안했다. 그리고 정밀한 환원 온도 제어를 통해 표면으로 용리(Exsolution)되는 나노입자의 조성을 최적화하는 방법을 개발했다. 이를 이용해 500 ℃의 환원 온도에서는 금속산화물 표면에 니켈 나노입자를, 550 ℃의 환원 온도에서는 니켈-루테늄 합금 나노입자를 생성해 서로 다른 조성을 갖는 금속나노입자-금속산화물 촉매를 생산했다.
연구진은 니켈-금속산화물로 이루어진 산소발생 촉매와 니켈루테늄-금속산화물로 이루어진 수소발생 촉매를 수전해 장치의 양극과 음극에 적용했다. 그 결과 기존의 이리듐, 백금 촉매를 사용한 상용 수전해 장치에 비해 61% 향상된 수소 발생을 달성했으며, 30시간의 장기구동에서도 98% 이상의 성능을 유지는 등 내구성도 확인했다.
또한, 연구진은 다양한 전기화학적 분석, 실시간 X-선 흡수 분광법 및 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 촉매 성능 향상의 주요 원인이 금속나노입자-금속산화물의 다양한 시너지 효과임을 규명했다. 이와 관련해 플랫폼연구실 김병현 박사는 “실험적 관찰이 어려운 나노 촉매 분야에서는 전기화학적 반응을 이해하기 위한 계산과학이 필수적”이라며, “연구 결과가 새로운 촉매를 디자인하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 전망했다.  양이온 환원 온도 정밀제어를 통해 개발한 금속-금속산화물 촉매. 왼쪽 두 번째 샘플이 500 ℃의 환원 온도를 이용해 니켈만이 용리된 니켈-금속산화물 촉매, 세 번째 샘플이 550 ℃의 환원 온도에서 생성한 니켈루테늄-금속산화물 촉매다. 니켈-금속산화물 촉매는 우수한 산소 발생 반응이, 니켈루테늄-금속산화물 촉매는 우수한 수소 발생 반응을 보였다. 61% 향상된 수소 발생, 내구성도 높아 연구진에 따르면, 수전해 장치에서 산소발생이 잘 일어나기 위해서는 금속산화물의 높은 전하 이동 특성이 중요하다. 니켈-금속산화물로 이루어진 산소발생 촉매는 환원 온도 제어를 통해 나노입자를 형성하는 과정에서 내부에 원자단위 산소 빈자리 결함이 생긴다. 연구진은 산소 빈자리 결함이 금속나노입자-금속산화물 간의 전하 이동 향상을 유도해 전기화학적 특성을 향상시키는 주요 요인임을 밝혔다. 따라서 연구진은 이번 연구를 통해 개발한 니켈-금속산화물 촉매의 니켈 금속나노입자가 향상된 전하 이동으로 산소 발생 반응에 매우 효과적으로 잘 알려진 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH)로 쉽게 변환될 수 있음을 확인했다.
수소발생은 물 분자가 분해되어 수소 이온이 촉매 표면에 흡착이 일어나는 반응과 흡착된 수소이온이 서로 만나는 반응을 통해 일어난다. 연구진이 개발한 니켈루테늄-금속산화물 촉매가 금속산화물 표면에서는 빠른 물 분해 반응이, 금속나노입자에서는 우수한 수소 발생 반응이 일어나는 것을 확인했다. 특히, 연구에 사용된 금속산화물의 표면이 금속 표면에 비해 약 5배 정도 빠르게 물 분해 반응을 촉진시킬 수 있음을 확인되었다. 또한 루테늄이 니켈 금속나노입자 사이에 들어감에 따라 금속나노입자의 전기화학 특성이 변화해 우수한 수소 발생 반응이 일어나는 것을 확인했다.
경북대학교 김명진 교수는 이번에 개발한 촉매 기술에 대해 “하나의 모체에서 환원 온도의 조절만으로 산소 발생 촉매와 수소 발생 촉매를 동시에 생산할 수 있는 것”이라고 의의를 밝히며, “다양한 금속산화물에 광범위하게 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.  스테인레스 스틸 기반 알칼라인 수전해용 이작용성(Bi-functional) 유연전극 모식도
알칼라인 수전해용 유연전극 저렴하면서 효율과 내구성이 높은 촉매를 개발한 또 다른 사례가 있다. 인하대학교 화학공학과 최진섭 교수와 김용태 박사 연구팀은 니켈-철(Ni-Fe) 전이금속 산화물에 소량의 루테늄 금속을 도핑해 스테인리스 스틸 기반의 안정성이 높은 유연전극을 개발했다.2)
연구팀은 니켈과 철로 이루어진 스테인리스 스틸을 기판으로 단일공정 양극산화 방법을 이용해 미량의 루테늄 금속이 도핑된 다공성 니켈-철(Ni-Fe) 산화물 복합체를 제조했다. 이렇게 제조된 촉매는 수소와 산소 발생 반응에서 모두 높은 활성을 보였고 100시간 이상 성능이 유지될 만큼 우수한 내구성을 보였다. 또한, 다공성 구조로 유연한 특성이 있어 구부러진 구조에서 전기화학적 특성을 유지하기도 했다. 따라서 다양한 조건에서 사용될 수 있을 것으로 기대를 모았다.
수전해 최적화위한 수치해석 모델 알칼라인 수전해 기술은 높은 기술 완성도와 저렴한 비용으로 대규모 설비를 구축할 수 있는 장점이 있지만, 천연가스 개질 수소나 부생수소, 블루수소에 비해 생산비용이 높아 상용화에 어려움이 있다. 수전해 운전효율을 높이기 위해 전극이나 촉매 소재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으나 시스템의 운전 조건을 최적화하기 위한 연구는 부족한 상황이다. 그런데 최근, 알칼라인 수전해 시스템의 운전 성능에 대한 온도의 영향을 분석하고 이를 예측할 수 있는 수치해석 모델이 개발된 사례가 있다.
광주과학기술원(GIST) 기계공학부 강상규 교수 연구팀은 그린수소 생산을 위한 알칼라인 수전해 시스템의 운전 성능에 대한 온도의 영향을 분석하고 이를 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발했다.3) 연구팀은 수치해석 기반의 알칼라인 수전해 스택(핵심 부품) 모델을 개발해 작동 온도에 따른 스택의 성능이 변화하는 것을 파악하고, 스택 외에도 수소 생산설비를 구성하는 BOP 장치(핵심 운전장치, Balance of Plant)들의 소모동력 변화를 종합적으로 분석해 최적의 수소 생산효율을 갖는 작동 온도 조건을 도출했다.
온도 변화에 따른 알카라인 수전해 시스템 운전 결과 이를 통해 연구팀은 대기압에서 80 ℃로 운전할 경우 전류밀도 0.4 A/㎠ 아래에서는 70 ℃ 조건보다 낮은 시스템효율을 보인다는 것을 알아냈다. 즉, 고온에서 운전할수록 높은 효율이 나타나는 스택 운전 성능과 다른 경향을 확인한 셈이다. 이는 고온 운전에서 포화수증기 생성에 따른 증발잠열이 증가하고 낮은 전류밀도에서 과전압에 의한 스택 발열량이 충분하지 않아 시스템 온도 제어를 위한 BOP 소모동력(Heater)이 증가했기 때문인 것으로 파악됐다.
 온도 변화에 따른 알카라인 수전해 시스템 운전 결과. (좌) 온도에 따른 스택과 시스템의 소모동력 및 운전효율 변화 (우) 온도에 따른 BOP 장치 소모동력 변화------------------------------1) 과학기술정보통신부에서 지원하는 수소에너지혁신기술개발사업 내 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’과제의 일환으로 수행된 이번 연구는 영국왕립화학회(RSC, Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 〈에너지 & 인바이론먼털 사이언스〉(Energy & Environmental Science)의 2021년 5월 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다. 논문의 제목은 “Understanding synergistic metal-oxide interactions of in situ exsolved metal nanoparticles on a pyrochlore oxide support for enhanced water splitting”이다. 2) 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)-연료전지인력양성사업단의 지원을 받아 수행된 이 연구는 영국 왕립화학회 국제학술지인 〈저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이〉(Journal of Materials Chemistry A) 5월 28일자 표지논문으로 재됐다. 논문의 제목은 “Trace amounts of Ru-doped Ni-Fe oxide bone-like structures via single-step anodization: a flexible and bifunctional electrode for efficient overall water splitting”이다. 3) 이번 연구는 한국연구재단 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받은 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’과제의 일환으로 수행되었으며, 연구 성과는 〈저널 오브 파워 소스〉(Journal of Power Sources) 2021년 6월 2일자 온라인에 게재됐다. 논문의 제목은 “Numerical modeling and analysis of the temperature effect on the performance of an alkaline water electrolysis system”이다.
<Energy News>
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