 수전해 과정의 부식 문제해결 했다 외면받았던 탄소의 활용 방법 제안 수소 생산 기술인 수전해 기술은 탄소 중립 사회에서 핵심 기술 중 하나이다. 지금까지 수전해는 촉매 개발에만 집중되어왔다. 촉매 활성과 내구성에 도움을 줄 수 있는 지지체에 관한 연구는 현재까지도 부족한 상황이다. 특히 대표적인 지지체인 탄소는 부식 문제로 인해 사용이 제한되어왔다. 산화물 지지체가 일부 사용되었지만, 낮은 전기 전도도와 비효율적인 전극 구조 형성 등으로 만족스럽지 못한 활성을 보여왔다. 또한 높은 활성 및 내구성을 보이는 수전해 장치 개발을 위해 촉매 지지체 개발이 필요한 상황에서 기존 이리듐 산화물 대비 높은 수전해 활성과 내구성을 높인 괄목할 만한 연구성과가 있었다는 소식이다.
정리 편집부 자료 KIST
국제에너지기구인 IEA에 따르면 2050년 전 세계 수소 수요는 5억 3천만 톤으로 2020년 대비 약 6배 증가할 것으로 예상된다. 현재 가장 일반적인 수소 생산 방식은 천연가스와 수증기를 반응시키는 것으로, 생산과정에서 이산화탄소를 발생시켜서 ‘그레이 수소’라 부르며 전체 수소 생산량의 약 80 %를 차지한다. 이와 대비되는 그린수소는 전기에너지로 물을 분해해 생산하기 때문에 이산화탄소 배출이 없다. 다만 이리듐 산화물 등과 같은 값비싼 귀금속 촉매가 쓰이기에 제한적이다.
탄소 지지체 도입으로 내구성 높여 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 탄소 지지체를 도입해 우수한 성능 및 내구성을 갖는 음이온 교환막 수전해 장치를 구현함으로써 그린수소 생산 단가를 대폭 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. 탄소 지지체는 높은 전기전도도와 표면적을 갖고 있어서 다양한 촉매의 지지체로 활용됐으나, 수전해에 필요한 높은 전압과 물이 많은 환경에서는 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다.
연구팀은 이리듐보다 저렴한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에서 합성해 음이온 교환막 수전해의 산소 발생 반응 촉매를 개발했다. 음이온 교환막 수전해에서 탄소의 부식을 최소화하기 위해 소수성 탄소 지지체와 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 촉매가 면대면으로 접합하고 있는 층상구조를 고안한 결과, 탄소의 부식을 일으키는 물과의 상호작용이 줄어들어 부식 과정에서 발생하는 이산화탄소가 절반 이하로 적게 검출됨을 확인했다.
성능평가 결과, 이번에 개발한 탄소 지지체 기반의 수전해 촉매의 전류밀도1)가 수전해 작동 전압인 2 V 영역에서 10.29 A/cm-2를 나타내 상용촉매인 이리듐 산화물 촉매의 전류밀도 9.38 A/cm-2보다 크다는 사실을 확인했으며 약 550시간의 장기 내구성을 동시에 확보했다. 또한, 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체의 소수성이 수전해 장치의 성능을 결정하는 하나의 주된 요인임을 처음으로 규명했다.
음이온 교환막 수전해에서 탄소의 부식을 최소화할 수 있는 소수성 탄소 지지체를 도입하여 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 구조를 면대면 구조로 합성하였다. 탄소는 높은 전기 전도도 및 표면적을 갖고 있음에도 불구하고 고전압과 풍부한 물로 인해 산소 발생 반응 촉매의 지지체로 사용이 제한되어왔다. 이에 본 연구진은 소수성을 띄는 결정성 탄소를 도입하여 물과의 상호작용을 최소화하고 니켈-철-코발트 층상 이중수화물을 탄소 지지체와 면대면 구조로 성장시켜 지지체의 내구성을 향상시켰다. 기존 이리듐 산화물 대비 높은 수전해 활성과 내구성을 확인하였다.
불안정했던 탄소를 수전해 분야에 활용 기대 높은 전기 전도도 및 표면적을 갖고 있음에도 불구하고 고전압과 풍부한 물이 있는 환경에서 불안정해 사용되지 못했던 탄소를 수전해 분야에 활용할 수 있게 될 것으로 기대된다. 수전해 분야에서 지지체 물질의 중요성을 알리고, 탄소의 표면 상태에 따른 수전해 성능 변화 등에 관심을 끌게 될 것이다. 기존 촉매에 지지체를 도입하여 더 우수한 성능을 나타내는 수전해 장치를 구현한다면, 수전해 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다.
KIST 유성종 박사는 “이번 연구성과는 기존에 부식 문제로 사용이 제한적이었던 탄소 지지체의 수전해 장치 적용 가능성을 확인한 것으로, 그동안 촉매개발에 집중됐던 연구를 다양한 지지체로 확장한다면 수전해 기술이 한 단계 성장할 수 있을 것으로 기대된다”라며, “그린수소 생산을 포함한 다양한 친환경에너지 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”고 밝혔다.2)
연구자와의 인터뷰 연구의 배경 수전해는 현재 대부분 촉매 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 상용화가 되기 위해서는 활성 및 내구성 향상 등의 아직 많은 연구가 필요한 상황이었다. 특히, 산소 발생 반응은 수전해의 반쪽 반응으로, 수소 발생 반응에 비해 반응이 느려 꾸준히 촉매개발이 진행되고 있다. 하지만, 낮은 활성 및 내구성으로 수전해 기술의 상용화가 제한되고 있다. 촉매개발뿐만 아니라 지지체 도입 등 성능 및 내구성을 증가시킬 수 있는 전략 제시가 필요하다. 일반적으로 사용되고 있는 산화물 지지체는 낮은 전기 전도도 및 비효율적인 전극 구조로 인해 성능 및 내구성이 낮음. 이에 높은 전기 전도도를 갖고 표면적이 넓은 소수성을 띄는 결정성 탄소 지지체를 도입하여 활성과 내구성을 향상시켰다.
이 성과 차별성은 본 연구는 높은 전압과 풍부한 물이 있는 환경에서 쉽게 산화가 되기 쉬워 사용이 제한되어왔던 탄소 지지체를 수전해의 산소 발생 반응에 도입하여 수전해 성능과 내구성을 대폭 향상시켰다. 소수성 재료의 가능성을 보여주며, 탄소의 수전해 적용 가능성을 제안했다.
기존에 사용되던 값 비싼 이리듐 산화물 촉매보다 활성과 내구성이 향상됐다. 또한, 탄소 지지체 위에 수전해 활성을 보이는 니켈-철-코발트 층상 이중수화물을 면대면으로 성장시켜 탄소 지지체의 변화를 최소화했다. 실용화 및 활용 범위는 상용화된 연료전지 등에 사용되는 촉매는 대부분 탄소에 담지된 촉매이다. 즉, 탄소 지지체는 촉매의 성능 및 내구성 향상에 주된 역할을 한다고 알려졌다. 그럼에도 불구하고, 수전해에서는 부식 문제로 그 사용이 제한되었다. 연구를 계기로 상용 수전해 촉매에 탄소 지지체 적용을 고려할 수 있을 것으로 예상했다. 소수성 탄소 지지체를 도입하면 수전해 단위 전지 시스템에서 물질 전달에 큰 효과를 보여 우수한 성능 및 내구성을 보일 수 있다. 기대효과와 앞으로의 과제는 본 연구는 소수성의 결정성 탄소 지지체를 도입하여 고활성, 고내구성 수전해를 구현하는 데에 성공했다. 지지체의 소수성 특성과 수전해 활성 간 상관관계를 규명했다. 실제 상용화에 사용되는 이리듐 산화물은 가격이 매우 비싸며, 필름 형태의 전극을 사용하기에 반응이 효율적으로 일어나지 못한다. 기공 구조를 갖는 탄소 지지체를 도입하게 되면 적은 양의 촉매로도 우수한 성능을 얻을 수 있다. 지지체 도입을 통해 성능 및 내구성을 향상시킨다면, 값비싼 이리듐 기반 촉매 외에도 저렴한 촉매를 도입하여 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대했다.
1) 전극의 단위면적당 흐르는 전류의 크기로, 수전해의 수소와 산소가 발생하는 속도와 밀접하다. 2) 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948, 2021M3H4A3A02086681), 한국에너지기술평가원(원장 권기영) 신재생에너지핵심기술개발사업(20203020030010) 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’(IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4 %)에 6월 12일 온라인 게재됐다.
<Energy News>
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