그린 수소 생산 효율 높이는 전극 코팅 기술 개발

그린 수소 생산 효율 높이는 전극 코팅 기술 개발

- 류정기 에너지화학공학과 교수팀, 전극 표면의 기포 털어내는 수화젤 코팅 기술 개발

- 전극에 원료 침투 쉬워 수소 생산 효율 증가… Advanced Energy Materials 표지 선정

전극 표면에 수화젤을 코팅해 물 전기분해의 효율을 높이는 기술이 나왔다. 수화젤이 수소 생산 반응을 방해하는 기포를 밀어내는 원리로 고가의 귀금속 촉매에 버금가는 효과를 거뒀다. 이산화탄소 같은 온실 가스는 물론 오염물질 없이 수소를 생산해 낼 수 있어 그린수소 생산 기술로 불리는 물 전기분해 상용화에 도움이 될 전망이다.

류정기 에너지화학공학과 교수팀은 전극에 수화젤을 코팅해 물 전기분해의 성능을 향상시키는 기술을 개발했다. 물 전기분해는 물(전해질)에 담긴 전극에 전류를 흘려 물을 산소와 수소로 분해해내는 기술이다.

물이 전기 분해돼 나온 수소와 산소는 전극 표면에 달라붙어 기포가 되는데, 이를 제때 제거하지 못하면 전극에 과부하가 걸리고 반응이 더뎌지는 문제가 생긴다. 액체반응물이 기포에 가로막혀 전극 표면에 제때 공급되지 못하기 때문이다.

<기존 전극(니켈 폼 전극)과 수화젤 코팅 전극 비교>

(a) 수화젤 코팅 전극(아래)은 수소 기체 방울이 전극 표면에 잘 달라붙지 않기 때문에, 반응할 수 있는 면적이 넓어진다.

(b) 기존 전극의 뼈대 안에 그물구조의 수화젤이 코팅된 모습.

(c) 수화젤 코팅 전극은 공기방울이 전극에 잘 달라붙지 않고, 약 154도의 각도를 갖게 된다. 공기의 접촉각이 클수록 공기방물이 더 잘 떨어진다.)

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전극에 수화젤을 코팅하는 기술을 개발했다. 수화젤은 물을 잘 빨아들여 기저귀, 소프트 렌즈 재료 등으로 쓰이는 물질이다. 이 물질을 전극에 코팅하게 되면 기체보다 물을 훨씬 더 좋아하는 성질(초혐기성) 덕분에 기체가 밀려나게 된다.

수화젤을 다공성 전극에 코팅해 물을 전기분해 해본 결과, 전극에 수화젤을 코팅하지 않은 경우보다 고전압에서 150% 증가한 수소 생산 능력과 상용 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 지닌 것으로 알려진 루테늄에 버금가는 수소 생산 효율을 보였다. 물을 분해하는 데 소모되는 전력량을 줄였단 의미다.

<기존 전극과 초혐기 코팅 전극을 각각 적용한 수전해 시스템의 성능 비교>

(a) 수화젤 코팅 전극은 값 비싼 수소 촉매들보다 뛰어난 수소 생산성을 보여주었다.

(b) 수화젤 코팅 전극은 20시간의 전기화학 테스트에도 성능이 유지되었다.

(c) 공기/전극의 접촉 각도와 500mA/cm2 수준의 전류로 수소를 생산할 때, 필요한 전기에너지를 비교하였다. 공기방울을 밀어내는 초혐기 특성이 제일 강한 수화젤 농도 2%에서 수소생산에 필요한 전기에너지가 가장 적게 필요하였다. 따라서, 초혐기 특성을 나타낼 때 에너지전환 효율이 좋아졌다.)

또 이 방식은 기존에 사용해온 전극의 표면 나노 구조를 변형하거나 초음파 같은 외력으로 기포를 털어내는 방식보다 간단하고 저렴해 상용화에 유리하다. 전극표면에 미세 구조를 만드는 방식은 대형화가 어려우며, 외력을 사용할 경우 추가 장비 등이 필요한 한계가 있다.

연구팀은 “전극에 수화젤을 코팅하는 것만으로도, 귀금속 촉매를 사용하는 것과 같은 분해 반응 활성화 효과를 거뒀다”며 “기존에 초음파 등으로 기포를 털어내는 방식보다 간단하고 저렴해 그린수소 생산 기술 상용화에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

어드밴스드 에너지 머터리얼즈 표지이미지. 다공성 전극에 코팅된 수화젤이 수소 기체를 전극 표면에서 제거하는 역할을 함.

이번 연구는 에너지화학공학과 배미솔 석사가 제1저자로 참여했다. 연구결과는 전기화학 분야의 국제권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 표지논문으로 선정돼 8월 5일자로 출판됐다.

Superaerophobic Polyethyleneimine Hydrogels for Improving Electrochemical Hydrogen Production by Promoting Bubble Detachment - Bae - 2022 - Advanced Energy Materials

연구 수행은 한국연구재단의 중견연구자 지원사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 이루어졌다.

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[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

친환경 에너지원으로 알려진 수소는 화석연료를 개질해 생산하는 그레이 수소 생산량의 90% 이상을 차지한다. 그레이 수소는 생산 과정에 이산화탄소 대량 방출돼 오히려 지구 온난화를 야기하는 역설이 생긴다.

반면 친환경적이고 무한한 자원인 물을 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해해 내는 수전해(전기화학적 물 분해)1)는 이산화탄소 배출이 없어 그린 수소 생산 공법으로 꼽힌다. 하지만 그린수소 생산 기술인 수전해를 상용화하기 위해서는 전기 분해 에너지를 줄이는 촉매 개발에 외에도 다양한 기반 기술이 필요하다.

 2. 연구내용

이번 연구에서는 전극 표면에서 생성물인 수소 기체를 빠르게 제거하는 전극 코팅 기술을 개발했다.

물의 전기분해 과정에서 생산되는 수소 기체는 고부가가치를 갖는 물질이지만, 전극 입장에서는 방해물이다. 전극표면의 수소 기체는 전극과 반응물이 전해질 사이의 접촉을 막아 원활한 반응을 방해하기 때문이다. 이에 따라 전극에 가해지는 전압이 높아지고, 반응속도도 느려진다. 전극의 반응을 방해하여 수소 생산 효율을 낮추는 것이다.

연구팀은 친수성 다공성 구조를 가져, 기저귀, 콘택트렌즈의 주재료로 사용되는 수화젤을 활용하여 이러한 문제를 극복하였다. 친수성이 크다는 의미는 물과의 접촉성이 좋고, 기체를 밀어내려는 혐기성이 크다는 의미이다. 연구팀은 이러한 수화젤을 다공성 니켈과 같은 수전해 전극 표면에 코팅하여, 수전해 도중 생성된 수소기체를 전극표면에서 빠르게 밀어내어 수전해 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

개발한 초혐기성 코팅 기술은 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 없이도 수소생산에 필요한 전기에너지를 줄여줌(과전압을 낮춤)과 동시에 수소 생산량 속도를 증가시켜 에너지 전환 효율을 크게 향상시켰다.

 3. 기대효과

저렴한 수화젤을 사용하여 값 비싼 금속 촉매들보다 뛰어난 수소 생산성을 보여주었다. 저렴한 수화젤 물질을 이용하여 수소 생산에 필요한 비용을 획기적으로 낮춤으로써 수소 사회를 앞당기는데 기여할 수 있다. 또한, 개발된 코팅방법은 대면적 제조에 용이하기 때문에 수소 생산 설비 실용화에도 이바지할 수 있다.

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[붙임] 용어설명

1. 전기화학적 물 분해(수전해)(Water electrolysis)

전기에너지를 가해주어 물로부터 수소와 산소를 생산하는 반응이다. 탄소 기반 물질이 생성되지 않아, 수전해로 생산된 수소를 그린수소라고 한다.

2. 초혐기(Superaerophobicity)

표면에서 기체가 잘 떨어지는 표면을 초혐기 표면이라고 한다. 이번 연구에서는 반응 중에 발생하는 수소 기체를 표면에서 떨어뜨려주기 위해 초혐기 성질을 활용하였다. 수화젤은 초혐기 특성과 함께 물을 충분히 적셔줄 수 있는 친수성을 가진다.

3. 수화젤(Hydrogel)

고분자를 서로 연결시켜주면, 그물구조를 갖는 수화젤이 형성되며 구조 안에 다량의 수용액을 함유할 수 있게 된다. 예시로, 산업에서 수화젤은 기저귀, 소프트렌즈의 주재료로서 사용된다. 본 연구에서는 수화젤 코팅으로 초혐기 성질을 구현하였다.