전북대는 나노융합공학과 이중희·김남훈·트란듀이탄 교수, 박석주 석사과정생이 미래 그린수소 생산에 핵심 기술로 떠오르는 음이온 교환막 방식 수전해 장치의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 핵심 소재 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 미래 수소경제 사회를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 보인다.
이 교수팀은 고가의 촉매 문제를 해결하기 위해 우수한 내부식성과 내산화성을 갖는 박리된 2차원(2D) 삼원계 전이금속 붕화물 소재인 엠벤(MBene) 결정구조 내에 극소량인 0.9% 백금 단원자 촉매를 흡착 및 도핑공정을 통해 복합화한 저비용의 고효율 촉매를 개발했다.
나노 이종소재 촉매는 현재 산업체에서 널리 사용하고 있는 백금·탄소(Pt/C)촉매와 비교하면 제조비용을 약 20배 감소시킬 수 있다. 수전해 장치 제조에 큰 비용절감 효과를 가져와 그린 수소산업의 발전을 가속시킬 수 있는 돌파구가 될 것으로 기대하고 있다.
새로 개발한 촉매는 수산화칼륨과 황산 용액에서 각각 10 mA/㎠의 전류밀도에 도달하는데 32 mV와 18 mV의 낮은 과전압이 소요됐으며 현재 사용하고 있는 백금 촉매(Pt/C) 보다도 우수한 수전해 효율을 보였다.
촉매를 적용한 음이온 교환막(AEM) 방식의 수전해 장치는 60℃의 1몰 수산화 칼륨 용액상에서 0.5A/㎠와 1A/㎠의 전류밀도를 올리는데 1.85 V와 2 V의 낮은 전지전압을 필요로 했다. 이는 현재 상용화된 세계 최고수준의 음이온 교환막 수전해 장치보다 보다 우수한 수전해 장치 성능을 보인다.
또 음이온 교환막 수전해 장치는 280시간의 장시간 구동 후에도 전혀 성능 저하가 일어나지 않는 매우 우수한 내구성을 보였다. 높은 성능과 내구성을 요구하는 음이온 교환막 수전해 장치 개발을 위한 새로운 초고효율 수전해 촉매로 관심을 받고 있다.
이 교수팀은 연구원들이 창업한 벤처 기업 아헤스에서 실제 수전해 장치에 적용하기 위한 실용화 연구를 지속적으로 수행해 저가의 그린수소의 대량 생산과정에 적용할 예정이다.
이중희 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매는 저비용 고효율로 그린수소를 생산할 수 있는 신개념의 매우 획기적인 개발”이라면서 “이를 활용하면 실제 수전해 장치 실용화측면에서 직면한 기술적 그리고 경제적 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시했다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지소재 분야 세계 최고 학술지인 '에너지 앤 인바이러먼트 사이언스' 최신호에 게재됐다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
