국내 연구진이 800시간 이상 장기 연속 운전할 수 있는 해수 수전해용 전극을 개발했다.
한국에너지기술연구원은 한지형 박사 연구팀이 산업 현장과 비슷한 고전류 환경에서 장기간 안정적인 성능을 낼 수 있는 ‘탄소섬유 기반 고성능 전극’을 개발했다고 7일 밝혔다.
수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 친환경 기술로 주로 담수를 사용한다. 하지만, 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 직접 활용한 해수 수전해 기술이 주목받고 있다.
해수 수전해 장치의 성능과 수명은 촉매와 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 백금, 루테늄과 같은 귀금속 기반 촉매는 값이 비싸고, 기존 탄소섬유 기반 촉매는 고전류와 100시간 이상 장기 운전 시 성능 저하와 구조 손상 문제 등의 문제가 있다.
연구팀은 전극의 반응성을 높이기 위해 탄소섬유의 산 처리에 주목했다. 산 처리는 100도의 고농도 질산 용액에 담가 1시간 동안 진행되는데, 수분 증발로 질산 농도가 변하는 문제가 있었다. 연구팀은 산 처리 전용 용기를 설계해 농도 변화를 막고 탄소섬유 지지체 표면 처리를 최적화했다.
산 처리된 탄소섬유 지지체는 높은 친수성으로 코발트와 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도하고, 소량의 루테늄만으로도 우수한 전기화학적 성능을 낼 수 있다.
실제, 전체 촉매 무게의 단 1%의 루테늄만 사용해도 기존 촉매 대비 전극 투입 과전압을 25% 낮춰 전류밀도에서 1.3배 높은 수소 생성 효율을 달성했다고 연구팀은 설명했다.
개발한 전극은 500mA/㎠ 고전류 조건에서 800시간 연속 운전에도 초기 성능을 유지한 것으로 나타났다. 또한 루테늄과 코발트 등 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 안에 유지돼 높은 내식성과 구조적 안정성을 보였다.
특히 25㎠ 규모의 대면적 전극 합성에도 성공, 실용화 가능성을 입증했다.
한지형 에너지기술연 박사는 “탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중 고전류 조건에서 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례”라며 “앞으로 1000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 연구를 통해 실증 수준으로 기술을 확장하겠다”고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 ‘어플라이드 서피스 사이언스(5월)’ 온라인에 게재됐다.
