광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 주종훈 환경·에너지공학과 교수팀이 이장용 건국대학교 교수 팀, 김성준 한국화학연구원 박사팀과 공동으로 차세대 그린수소 생산 장치의 성능과 내구성을 높일 수 있는 '일체형 비귀금속 다공성 전극'을 개발했다고 26일 밝혔다.
최근 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 그린수소가 주목받고 있다. 그린수소는 물을 전기로 분해해 생산하는 친환경 수소로, 생산 과정에서 탄소를 배출하지 않는다. 특히 음이온교환막 수전해(AEMWE)는 값비싼 백금족 귀금속 대신 니켈(Ni)·철(Fe)과 같은 저렴한 금속 촉매를 사용할 수 있어 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 전극은 여러 층을 겹쳐 만드는 구조여서 전기 저항이 발생하고, 장시간 구동 시 촉매층이 떨어지거나 물과 산소의 이동이 원활하지 않은 한계가 있었다.
연구팀은 비교적 단순한 테이프 캐스팅 공정을 활용해 니켈-철 합금 기반의 다공성 전극(NiFe-f-PTL)을 새롭게 설계했다. 기존 전극에 필요했던 별도의 촉매층과 이오노머를 사용하지 않고도 전극과 막 사이의 전기 손실을 줄였으며, 물 공급과 산소 기포 배출 성능을 향상시켰다. 전극 구조의 안정성을 높여 장시간 사용에도 성능 저하를 최소화할 수 있었다.
실제 음이온교환막 수전해 셀에서 새 전극의 성능을 검증한 결과 높은 온도와 강한 알칼리 환경에서도 많은 양의 수소를 안정적으로 생산할 수 있음을 확인했다. 실제 수전해 장치의 운전 조건에 가까운 80℃·1.0몰(M) 수산화칼륨(KOH) 환경에서 1.8볼트(V) 기준 6.73암페어(A/㎠)의 높은 전류밀도를 기록했다.
동일한 전극을 교체하지 않은 상태에서 총 2142시간 동안 연속 구동한 시험에서도 구조와 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. 새 전극이 알칼리 환경에서도 높은 내구성을 유지하며 장기간 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.
이번 연구는 차세대 대용량 그린수소 생산 시스템의 핵심 기술로 활용돼 고효율·저비용 수소 생산 장치 개발에 기여할 것으로 기대한다. 촉매와 물질 전달 기능을 하나의 구조로 통합한 설계로 전극 성능과 내구성을 동시에 향상시켰다는 점에서 의미가 크다.
주종훈 교수는 “이번 연구는 전극의 촉매 성능뿐 아니라 물과 기체가 이동하는 과정, 막과 전극 사이의 접촉 구조까지 함께 고려해 설계해야 실제 수전해 장치의 성능을 높일 수 있다는 것을 보여준 결과”라며, “일체형 다공성 전극은 효율이 높고 오래 사용할 수 있는 차세대 그린수소 생산 시스템의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
