우리 연구진이 수소 생산시 이산화탄소 배출이 전혀없는 ‘그린수소’ 기술 구현 기반을 마련했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김희탁 생명화학공학과 교수팀이 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명했다고 22일 밝혔다.
‘양이온 전도성 고분자전해질 수전해’는 물을 전기분해해 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로, 기존 알칼리성 수전해 대비 높은 성능, 수소생산 순도가 강점이다.
다만 귀금속 기반 촉매를 사용한다. 수급 부족, 높은 가격 문제를 수반한다. 특히 양극 반응에 가장 적합하지만, 매장량이 적은 이리듐 함량을 지금보다 크게 줄일 필요성이 있다. 문제는 이리듐 촉매 함량을 줄일 때 발생하는 급격한 성능 저하 현상이다.
그동안 대부분 연구는 이리듐을 대체하는 새로운 촉매 발굴에 주력했는데, 연구팀은 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고, 이를 규명했다.
이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면, 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막 전자띠는 ‘띠굽음(반도체 전자 띠가 계면부에서 굽는 현상)’ 현상을 일으킨다. 이리듐 함량이 낮은 전극에서는 바인더가 이 띠굽음 현상을 증폭시킨다. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 더욱 어려워져 성능 저하가 발생한다.
연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계할 경우, 이리듐 함량을 10분의 1 수준으로 저감시켜도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있음을 확인했다.
김희탁 교수는 “이번 연구결과는 그동안 베일에 싸여있던 이리듐 저감형 수전해 전극 성능 문제 이유를 규명하고 해결 전략을 제공한 것”이라며 “효율과 가격을 동시에 잡는 그린 수소 생산 시스템 개발에 응용되기를 기대한다”고 말했다.
두기수 KAIST 생명화학공학과 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ACS 에너지 레터스 5월 12일자 온라인판 표지논문으로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
