[SDG13 기후변화대응] KIST(한국과학기술연구원, 과기硏)와 카이스트(한국과학기술원, 科技院)간에 그린수소 생산비용을 낮추기위한 기술개발 경쟁에 치열하다.
탄소중립 필요성이 커짐에 따라 물을 전기분해해 수소와 산소를 생성하는 수(水)전해 기술이 차세대 시스템으로 주목받으면서 개발 열기가 뜨겁게 달아오르고 있다. '그린수소' 기술은 수소 생산시 Co2 배출이 전혀 없는 수소 생산 기술을 말한다.
물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 기술이 변동성이 높은 재생에너지 기반 전력 시스템에 우수한 안정성을 가져, 앞으로 급증할 그린 수소의 수요를 책임질 차세대 시스템으로 주목받고 있다.
카이스트는 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명해 그린 수소 생산기술 저가화(低價化)에 대한 실마리를 찾았다고 22일 밝혔다.
양이온 전도성 고분자전해질 수전해는 물을 전기분해해 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로 기존의 알칼리성 수전해에 비해 높은 성능과 높은 수소생산 순도를 지니는 게 강점이다.
이 수전해 시스템은 산성 환경에서 작동하며 효율적인 물 분해를 위해 귀금속 기반의 촉매를 사용한다. 하지만 백금, 이리듐 등의 귀금속 소재들은 물량이 적고 가격이 높다는 게 문제였는데 이 난제를 해결할 수있는 단서를 찾은 것이다.
KAIST 생명화학공학과 두기수 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 `ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 5월 12일 자 온라인판 표지논문으로 게재됐다. 논문명: 'Contact Problems of IrOx Anodes in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis'
이에 앞서 KIST는 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발했다고 지난주 밝혔다.
전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다고는 것이다.
탄소중립의 필요성이 대두됨에 따라 수소를 에너지 캐리어로 활용하는 수소 에너지 사회로의 변화가 선택이 아닌 필수가 되어가면서 이처럼 수소를 생산하는 다양한 기술들이 제시되고 있다.
KAIST 생명화학공학과 두기수 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 `ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 5월 12일 자 온라인판 표지논문으로 게재됐다. (논문명: Contact Problems of IrOx Anodes in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis)
KAIST 연구팀에 따르면 양이온 전도성 고분자전해질 수전해는 물을 전기분해해 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로 기존의 알칼리성 수전해에 비해 높은 성능과 높은 수소생산 순도를 지니는 게 강점이다.
이 수전해 시스템은 산성 환경에서 작동하며 효율적인 물 분해를 위해 귀금속 기반의 촉매를 사용한다. 하지만 백금, 이리듐 등의 귀금속 소재들은 물량이 적고 가격이 높다는 게 걸림돌이다.
특히, 이리듐 기반 촉매는 양극 반응에 가장 적합하지만 매장량이 적어 사용량을 현재보다 10분의 1 수준으로 낮춘 수전해 장치가 필요하다.
하지만 이리듐 촉매 함량을 줄일 경우 발생하는 급격한 성능 저하 현상이 문제다. 그래서 대부분의 연구들이 이리듐을 대체하는 새로운 촉매 발굴에 주력해온 게 저간의 사정이다.
수전해 시스템에 사용하는 전극은 이리듐 촉매와 바인더로 구성된 촉매층과 티타늄 확산층 결합된 구조를 가지고 있다.
김희탁 교수 연구팀은 고분자전해질 수전해의 양극 내 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더의 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고 이를 규명했다.
이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면, 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막의 전자띠가 굽는 띠굽음(band bending) 현상이 발생한다.
김 교수팀의 연구결과에 따르면 낮은 이리듐 함량의 전극에서는 이 띠굽음 현상이 바인더에 의해 증폭된다. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 더욱 어려워지므로 성능 저하가 발생한다는 것이다.
연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계하는 경우, 이리듐 함량을 10분의 1 수준으로 저감시켜도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있음을 확인했다고 밝혔다.
이는 전극계면의 조성을 변화시킴으로써 비싼 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 저감 가능하다는 것을 증명한 것이다.
김희탁 교수는 "이번 연구결과는 그동안 베일에 싸여있던 이리듐 저감형 수전해 전극의 성능 문제를 짚어 그 이유를 규명하고 해결 전략을 제공했다는 점에서 중요한 의미가 있다ˮ면서 "이를 바탕으로 효율과 가격을 동시에 잡을 수 있는 그린 수소 생산 시스템의 개발에 응용되기를 기대한다ˮ고 말했다.
SDG뉴스 임명재 기자