프라이팬 코팅제를 그린 수소 생산 장치의 부품에 발라 생산성을 1.4배 높일 수 있는 기술이 나왔다. 코팅제로 수소 기포 부착을 막아 생산 수소를 원활하게 배출시키는 원리다.
울산과학기술원(UNIST)은 이동욱·류정기 에너지화학과 교수팀이 수전해 장치 주요 부품인 '다공성 수송층(PTL)'에 테플론(PTFE)을 코팅해 수소 생산 성능을 40% 높였다고 24일 밝혔다.
수전해 장치는 물과 전기로 그린 수소를 만든다. 수소는 수전해 장치 전극의 촉매 표면에서 화학 반응으로 생산된다. 이때 수소 기체가 제때 빠져나가지 못하고 기포 형태로 촉매 표면에 부착되면 전체 반응도 막혀 문제가 된다. 수소 생성 반응이 일어나는 촉매 표면적이 줄어들기 때문이다.
이 교수팀은 수소 기체가 빠져나가는 통로인 전극 '다공성 수송층'에 테플론을 발라 이러한 문제를 해결했다. 테플론은 프라이팬 코팅에 주로 사용하는 물질이다. 이 물질을 전극 수송층에 코팅하자 수소 기포가 촉매 표면에 달라붙지 않았고, 이로 인해 수소는 다공성 구조를 빠르게 통과했다.
이 교수팀은 물 공급을 막지 않기 위해 수송층 아래쪽 절반은 코팅하지 않는 전략을 썼다. 수송층은 생산 수소가 빠져나가는 통로인 동시에 원료인 물을 촉매로 공급하는 역할을 하는데, 이 코팅제의 경우 물을 밀어내는 성질이 있기 때문이다. 수송층 위쪽 절반만 코팅하면 가벼운 기체인 수소는 코팅이 된 위쪽으로 흘러나가고 원료는 여전히 아래쪽으로 잘 공급된다.
코팅한 다공성 수송층을 적용한 수전해 셀을 테스트한 결과, 코팅 없는 셀에 비해 전류 밀도가 40% 증가했다. 수소 기체가 통로를 막아 발생하는 전압 상승도 완화됐다.
이 기술은 코팅 과정도 간편해 상용화에도 유리하다. 별도의 복잡한 공정 없이 액체 상태 코팅제를 분사해 열처리 하면 된다. 이 교수팀은 225㎠ 넓이의 대면적 수송층도 실제로 제작했다.
이동욱 교수는 “소수성 물질인 코팅제를 잘 활용하면 오히려 수소 생산이 잘 이뤄질 수 있다는 점을 확인했다”며 “수전해 장치 외에도 기체가 화학 반응에 관여하는 연료전지나 금속-공기전지 등 전기화학 장치에도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 11월 8일자 온라인으로 공개됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com