한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 한지형 SCI 융합연구단 박사팀이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반 해수 수전해 전극을 개발했다고 7일 밝혔다.
동종 전극 중 세계 최초로 고전류 조건에서 800시간 이상 장기 연속 운전에 성공, 상용화 가능성을 높였다.
현재 세계적인 담수 부족 문제로 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목받고 있다. 그 성능·수명은 전극을 구성하는 촉매, 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 달려 있다. 보통 백금, 루테늄 등 귀금속 기반 촉매가 활용되는데, 비용 탓에 비귀금속계 촉매를 쓰거나 귀금속 사용을 최소화하는 추세다.
지지체에도 문제가 있다. 금속 지지체는 염소이온이 일으키는 부식에 취약하다. 대체재로 전기전도성과 내식성, 유연성, 가격 경쟁력이 우수한 탄소섬유가 대두됐는데 고전류로 장기 운전 시 성능 저하와 구조 손상 문제가 있어 상용화가 어려웠다.
연구진은 최적의 산 처리 공정으로 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 기반 전극을 개발하고 기존 전극의 단점을 극복했다. 전극에 가해지는 과전압을 25% 낮춰 기존 전극 대비 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 나타냈다.
연구진은 탄소섬유 산 처리에 집중했다. 산 처리는 100도의 고농도 질산 용액에 담가 한 시간 동안 진행되는데, 과정 중 수분 증발로 질산 농도가 변하는 것이 문제였다. 이에 산 처리 전용 용기를 새로 설계해 농도 변화를 방지하고 최적의 탄소섬유 지지체 표면 처리에 성공했다.
산 처리된 탄소섬유 지지체는 친수성이 높아 코발트·몰리브덴·루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도한다. 특히 귀금속인 루테늄은 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학 성능을 낼 수 있게 했다.
또 촉매를 포함된 전극은 500㎃/㎠ 이상 고전류 조건에서도 800시간 이상 연속 운전 시 초기 성능을 유지했다. 또 운전 후 촉매 금속 성분을 분석한 결과, 루테늄·코발트 등 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 내에 유지돼 높은 내식성과 구조적 안정성을 나타냈다. 25㎠ 규모 대면적 전극 합성에도 성공해 실용화 가능성을 보였다.
한지형 박사는 “향후 1000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반 모듈·스택화 연구로 기술을 확장할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 저명 학술지 어플라이드 서피스 사이언스 5월 온라인판에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
