건국대 한혁수 교수팀, 친환경 수소 제조 기술 개발

해수 수전해 양극 촉매 소재로도 활용 가능

건국대는 KU융합과학기술원 한혁수 교수팀(미래에너지공학과)과 한국생산기술연구원 김강민 수석 공동연구팀이 바닷물을 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 핵심기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

한혁수 건국대 교수

공동연구팀은 그린수소 생산에 핵심적인 기술인 수전해로 수소를 생산할 수 있는 양극 촉매 소재를 개발했다.

수전해는 물 전기분해라고도 불린다. 전기 에너지로 물에 산화·환원 화학반응을 유도해 수소와 산소 기체로 분해하는 기술이다.

현재 가장 상용화된 수전해 기술은 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전해질로 사용해 염기성 환경에서 물을 전기분해하는 ‘알카라인 수전해’ 기술이다. 하지만 이 기술은 양극반응에서의 높은 과전압으로 인해 에너지 전환 효율 향상에 어려움이 있었다. 전압을 낮추기 위해 일반적으로 니켈기반 촉매 소재를 전극 표면에 코팅해 사용하지만 이러한 촉매 소재는 열화현상으로 촉매 입자 탈착을 유발해 높은 과전압을 야기했다.

연구팀이 개발한 촉매 소재는 모재 전극 표면에서 직접 니켈 기반 촉매를 성장시켜 유기바인더를 사용하거나 별도 코팅 공정이 필요없다. 기존 분말 형태 촉매 소재보다 내구성이 좋고 전극과 촉매 소재 간 강한 전기적 상호작용으로 높은 활성도를 확보할 수 있다.

모재 전극을 활용한 4원계 전이금속 기반 고효율 고내구 수소생성 촉매 소재 모식도

연구팀은 최적의 수소생성 양극반응 활성을 지닐 수 있는 최적의 전이금속 4원계(Ni-Fe-Al-Co) 조성을 금속유기골격체 소재 담지 및 전기화학적 활성을 통해 구현했다. 또 실험과 이론적 검증을 통해 전기적 특성 변화가 용이한 철 원자(Fe)가 양극반응에서 주요한 활성 원소로 작용하는 것을 규명해냈다.

한혁수 교수는 “개발된 촉매 소재는 알카라인 전해질뿐만 아니라 해수와 유사한 염화나트륨이 포함된 전해질에서도 뛰어난 활성도와 내구성을 나타냈다”며 “담수를 사용하지 않고 해수를 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 해수 수전해 분야 양극 촉매 소재로 활용이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 해외 유명 저널인 Journal of Materials Chemisty A에 12월 28일자 백커버로 게재됐다.