그린수소 생산 효율 65%, 셀 수명은 8배 ↑

UNIST, 생체 조효소 활용한 저전압 수소 생산·저장 기술 개발

그린수소를 더 값싸게, 효율적으로 생산할 수 있는 획기적인 기술이 개발됐다.

UNIST 에너지화학공학과 송현곤 교수팀은 생체 조효소 FAD(플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드)를 전극 표면에 입혀 저전압으로 수소를 생산하고 이를 바로 액상 유기물에 저장할 수 있는 전기화학 시스템을 개발했다고 26일 밝혔다.

생체 조효소 FAD를 활용한 저전압 수소 생산·저장 원리를 나타낸 그림. 왼쪽은 백금(Pt) 전극에서 포름산(HCOOH)이 산화돼 이산화탄소(CO₂)와 수소이온(H⁺)이 생성되고, FAD가 수소 중간체(*H)를 제거해 전극 표면을 정리한다. 팔라듐(Pd) 전극에서는 FAD가 전자 분포를 조절해 수소이온의 흡착을 촉진하고 수소 발생 반응을 유도하는 그림. 오른쪽은 전체 시스템 구조도. 생성된 수소가 액상 유기물(톨루엔)에 저장되는 과정을 보여준다.(그림=UNIST)

이 시스템은 수소를 만들어 기체 상태가 아닌 액상 유기물에 비로 저장할 수 있어 수소 생산 비용 뿐만 아니라 저장·운반 비용까지 줄일 수 있다.

백금 전극에서 포름산(HCOOH)이 산화돼 나온 전자가 반대편 팔라듐 전극 수소이온(H⁺)과 만나 수소(H)를 만든다. 이때 만들어진 수소는 팔라듐 금속막을 그대로 통과, 그 뒤편의 액상 유기물 속에 저장된다.

연구팀은 "FAD 조효소를 양쪽 전극에 입혀 수소이온(H⁺) 흡착량을 3배 이상 늘렸다"고 말했다.

10 mA/cm²의 전류 밀도에서도 셀 전압은 기존(1.7V) 대비 1.1V 감소한 0.6 V 이하로 유지한다. 기존보다 65% 개선한 수치다.

또한, 팔라듐(Pd) 금속막을 통해 생성된 수소를 액상 유기물(톨루엔) 속에 저장하는 액체유기수소운반체(LOHC) 시스템도 함께 구현해, 수소 생산과 저장을 하나의 시스템 안에서 동시에 가능케 했다.

수명도 기존 대비 8배 늘어난 100시간 이상 연속 작동에서도 성능 저하가 없다. 셀 작동 전압이 높을수록 전력 소모가 많고 수명이 준다.

송현곤 에너지화학공학과 교수는 "기체 상태 수소를 액상 유기물에 주입하는 별도 공정이 필요 없는 것이 이 기술의 장점"이라고 말했다.

UNIST 송현곤 에너지화학공학과 교수.

제 1저자인 이지수 연구원은 “액상 유기물에서 수소를 저장할 때는 기체 상태의 수소(H₂)를 고압으로 주입하거나 반응 조건을 맞추는 추가 공정이 필요한데, 이 기술은 전극에서 발생한 수소를 원자 형태(H)로 바로 액상 유기물에 저장한다”고 부연 설명했다.

송 교수는 “생체 분자가 가진 전자·양성자 운반 특성을 전기화학 시스템에 접목해, 수소 생산과 저장을 동시에 해결할 수 있게 됐다”며 “고압 용기 없이 수소를 저장하는 새로운 방법"이라고 말했다.

연구 성과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)’ 에 7월 2일자 온라인으로 게재됐다.

계산화학을 통한 FAD의 수소 흡착·탈착 반응 경로를 보여주는 그림. 왼쪽그림은 FAD를 전극에 입힌 경우(분홍 실선)는 기존 Pt 전극(분홍 점선)보다 수소 흡착 에너지가 낮아져 포름산 산화시 표면에 불필요하게 남아 있는 H를 효과적으로 제거한다. 반면, 오른쪽 그림 Pd 전극에서는 FAD가 전자를 공급하여 H+ 흡착을 촉진함으로써 수소 생성·저장 반응을 가속화한다.(그림=UNIST)