한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 '그린 수소' 생산 한계를 극복할 새로운 수소 생산 시스템을 개발했다. 수용성 전해질을 사용한 물분해 시스템으로 화재 위험을 차단하고 안정적인 수소 생산의 길을 열었다.
KAIST는 강정구 신소재공학과 교수팀이 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.
공기전지는 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용하는 일차전지다. 수명이 긴 것이 장점이다.
물 분해를 통한 수소 생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받는데, 충분한 용량 구현을 위해 귀금속 촉매를 사용해야 하고, 장시간 충·방전시 촉매 소재 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다.
이에 물 분해 반응(산소·수소 발생)에 효과적인 촉매, 반복적인 아연-공기전지 전극 충·방전 반응(산소 환원, 산소 발생)에 안정적인 물질 개발이 필수다.
이에 연구팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 사이즈 금속-유기 골격체를 활용해 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에 모두 효과적인 비귀금속 촉매 소재(G-SHELL) 합성법을 제시했다.
개발 촉매 물질을 공기전지 공기극 물질로 구성해 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도(797Wh/㎏), 높은 출력 특성(275.8㎽/㎠), 그리고 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동 가능함을 확인했다.
또 아연-공기전지는 수용성 전해질로 구동돼 화재 위험으로부터 안전하다. 차세대 에너지 저장 장치로 수전해 시스템과 연동해 수소 생산을 위한 친환경적인 방법으로 적용할 수 있다.
강 교수는 “낮은 온도, 간단한 방법으로 3가지 다른 전기화학 촉매반응에서 높은 활성도와 수명을 지닌 촉매 소재를 개발해 구현된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템은 그린 수소 생산 한계를 극복할 새로운 돌파구가 될 것”이라고 밝혔다.
KAIST 신소재공학과의 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 어드밴스드 사이언스에 9월 17일 자 게재됐다.
연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
