연구성과 에너지 분야 세계적 학술지 ‘Joule’ 게재…탄소중립 기술 상용화 기대
중앙대학교(총장 박세현)는 화학공학과 안상현·남인호 교수 연구팀이 포항공과대학교, 한국과학기술연구원(KIST)과 공동으로 이산화탄소 전기화학적 전환 기술의 상용화를 가로막던 핵심 난제를 해결할 수 있는 신개념 음이온교환막을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 세계적 권위 학술지 'Joule'에 게재됐다.
이산화탄소 전기화학적 환원 기술은 발전소와 산업현장에서 배출되는 이산화탄소를 재생에너지 전력을 이용해 일산화탄소와 에틸렌 등 고부가가치 화학원료로 전환하는 탄소중립 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 장시간 운전 시 환원극에 물이 고이고 염이 석출되는 문제가 발생해 성능이 급격히 저하되는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다.
연구팀은 기존 음이온교환막의 분자 구조를 개선하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 폴리(비스플루오렌) 고분자 주쇄 사이에 유연한 알킬 사슬을 도입한 새로운 구조의 음이온교환막(PBFA-QA)을 개발해 이온 전달 통로를 효과적으로 형성하고 양이온의 막 통과를 억제하는 구조를 구현했다.
연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 알킬 사슬이 도입된 막에서는 칼륨 이온이 통과하기 위한 에너지 장벽이 높아져 양이온 크로스오버가 크게 감소한다는 사실을 원자 수준에서 규명했다. 실제 개발된 막의 칼륨 이온 투과 속도는 기존 구조 대비 약 20분의 1 수준으로 감소했다.
성능 평가에서도 우수한 결과를 얻었다. 개발된 PBFA-QA 막을 적용한 제로갭 전해셀은 3.2V 조건에서 일산화탄소 부분전류밀도 331.7mA/㎠와 96.8%의 패러데이 효율을 기록하며 세계적으로 널리 사용되는 상용 음이온교환막인 Sustainion X37-50 RT와 PiperION 대비 약 1.8배 높은 성능을 나타냈다.
내구성도 크게 향상됐다. 200mA/㎠ 조건에서 200시간 연속 운전한 결과 92% 이상의 일산화탄소 선택도를 유지했으며, 운전 종료 후에도 환원극에서 침수나 염 석출이 관찰되지 않았다. 반면 동일 조건에서 상용막을 적용한 전해셀은 수십 시간 내 염 석출로 인해 운전이 중단됐다.
연구팀은 이번 알킬 사슬 도입 전략이 특정 소재에만 적용되는 기술이 아니라 기존 상용 음이온교환막에도 적용 가능한 설계 전략인 만큼, 이산화탄소 전환 기술뿐 아니라 수전해와 연료전지 등 다양한 전기화학 시스템으로 활용 범위가 확대될 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실·H2GATHER 사업과 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐으며, 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨팅 자원을 활용했다. 연구 결과는 'Effect of interstitial alkyl chain engineering of anion exchange membrane for improved CO2 electrolyzer'라는 제목으로 2026년 6월 24일 에너지 분야 국제학술지 'Joule' 온라인판에 게재됐다.
안상현 교수는 “이번 연구는 이산화탄소 전환 전해셀의 성능 저하 원인을 소재 설계 단계에서 해결했다는 데 의미가 있다”며 “향후 다양한 전기화학 시스템에 적용 가능한 차세대 음이온교환막 기술로 발전시켜 탄소중립 기술 상용화에 기여하겠다”고 말했다.
권상희 기자 shkwon@etnews.com
