화학연 "민물이나 바닷물로 고순도 수소 생산 가능"

고분자량화한 음이온 교환 소재 개발…내구성 기존 대비 10배 높여

고순도 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 수전해 기술의 핵심소재가 개발됐다.

한국화학연구원은 이장용·김성준 박사 연구팀이 해외 상용 소재 대비 성능과 내구성이 뛰어난 고분자량화 폴리카바졸계 음이온 교환 소재(HQPC-TMA)를 개발했다고 3일 밝혔다.

'수전해'는 물을 전기분해해 친환경 그린수소를 생산하는 기술이다. 한국형 탄소중립 100대 기술 중 하나다.

한국화학연구원이 개발한 음이온 교환 소재(HQPC-TMA)와 교환막.(사진=화학연)

수전해 기술의 일종인 음이온교환막 수전해(AEMWE)는 고분자 막을 이용해 수산화 이온(OH-)을 전달하고, 전기분해로 수소를 생산한다.

연구팀은 이 수전해 설계에 분자구조 조절이 용이한 폴리카바졸(PC)계 소재를 활용했다. 이를 통해 수소 생산 성능과 내구성을 높인 이온교환 소재를 개발한 것.

이 소재로 만든 음이온교환막과 셀은 기존에 상용화된 소재 대비 내구성이 10배 정도 우수했다. 이온 전도 성능(이온전도도)도 20% 이상 개선됐다.

실험 결과 이 소재는 80℃의 고농도 알칼리 용액(3M KOH 수용액)에서 2천500시간 경과 후에도 이온전도도를 100% 유지됐다. 기존 소재는 통상 이온전도도가 97~60% 정도 나온다.

폴리카바졸은 전기 발광 특성이 독특하고, 화학적 안정성이 좋아 유기 발광 다이오드(OLED)나 유기 태양전지, 이온교환 소재 등에 많이 쓴다.

연구팀은 또 이 소재를 음이온교환막으로 활용, 비귀금속 전극과 결합한 수전해 셀을 제작하고, 이를 1천시간 동안 가속 평가(60℃, 1.0 A/㎠)한 결과 셀 열화 속도도 기존 대비 10분의 1로 크게 개선됐다.

2V 전압에서 전류 밀도도 기존 외국에서 개발한 소재는 8A~12A/㎠인 반면 이 소재는 14.6A/㎠의 성능을 보였다. 이 수치는 동일 에너지에서 수소 생산 효율성이 더 좋다는 것을 의미한다.

화학소재연구본부 이장용 책임연구원은 "민물이나 바닷물을 활용한 수전해 구동에 실마리가 될 것으로 기대한다"며 "후속 연구로 규모를 키우는 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구를 준비 중"이라고 말했다.

김성준 선임연구원은 "이 기술은 전기화학적 CO₂ 전환 장치나 연료전지에도 활용될 수 있어 다양한 분야에서 상용화가 기대된다"고 부연 설명했다.