그린 수소와 같은 청정 기체 원료를 손쉽게 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 겉면에 엷은 막을 입혀 원료 생산 효율을 높인 이 기술은 그린수소 생산의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 류정기, 이동욱 교수팀은 기체를 생산하는 전극에 범용적으로 사용할 수 있는 큰 면적의 하이드로젤 박막 기술을 개발했다. 화장품 원료로 사용되는 하이드로젤로 엷은 막을 만드는 이 기술은 전극에 전기를 가해 생산되는 기체 원료의 생산 효율을 획기적으로 높인다. 기체 원료가 전극의 겉에서 맴돌지 않고 손쉽게 빠져나가도록 도와주는 것이다. 특히, 물을 분해해 그린 수소와 산소를 생산하는 수전해 기술에 적용 가능해 탄소중립 구현에도 앞장설 것으로 보인다.
그림1. 기존 전극과 하이드로젤 코팅 전극의 장단점 비교
수전해 반응 등의 전기화학 반응을 위해 전기에너지를 흘리게 되면 수소, 산소, 질소와 같은 기체가 생성된다. 기체는 생성되는 동시에 전극 겉면에 공기 방울 형태로 붙게 된다. 이렇게 생성된 기체 중 ‘수소’는 산업에 중요한 자원이지만 전해질이 스며들거나 작용하는 것을 방해해 에너지 소모를 증가시키는 요인으로 꼽힌다.
그림2. 기존 전극과 하이드로젤 전극의 이미지와 전기화학적 가스발생반응의 생산성 비교
연구팀은 전극의 표면에서 기체 방울을 빠르게 떼어내고 전해질을 효율적으로 공급하기 위한 방법을 연구했다. 먼저 기체 교환이 일어나는 ‘기공’이 열려있는 하이드로젤을 전극의 겉면에 코팅했다. 연구진이 사용한 하이드로젤은 국내에서 양산 중인 소재로 물을 흡수하는 친수성을 지니고 있어 화장품, 연고, 기저귀 등에 널리 사용된다. 친수성 하이드로젤 코팅을 통해 전극에서 생성된 기체 방울을 만들어진 즉시 떼어주게 되면, 전해질이 기체에 방해받지 않고 전극에 빠르게 스며든다.
연구팀이 개발한 시스템을 기존에 사용되던 니켈, 백금 촉매에 적용한 결과, 최대 2.3배(65.7 mA/cm2 -> 151.5 mA/cm2)의 높은 기체 생산 효율을 보였다.
또한, 기체가 표면에 쌓이지 않고 크기가 작은 상태에서 떨어지면 촉매 표면에 가해주는 힘이 적어진다. 이는 촉매가 뭉치거나 벗겨지는 정도를 줄여 전해 시스템을 장시간 안정적으로 구동시킬 수 있다.
그림3. 기존 전극과 하이드로젤 전극에서의, 촉매 안정성 비교
류정기 에너지화학공학과 교수는 “습윤밴드, 화장품, 기저귀 등 일상샐활에 널리 이용되는 하이드로젤을 전극에 적용해 전기화학적 기체생성반응 효율을 대폭 향상시킨 창의적인 원천기술이다”며 “특히 수전해 반응에도 적용이 가능해 그린수소 상용화에 도움이 될 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 강윤석 석박통합과정생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 전기화학 분야의 국제권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 9월 29일자로 공개됐다.
본 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자 지원사업, 기후변화대응기술개발사업, 지역혁신선도연구센터(RLRC)사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
