[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

신재생에너지 기반 수전해 공정은 지구온난화문제를 해결하고 화석연료의 시대에서 새로운 수소경제 시대를 이끌 그린수소를 생산하는 중요한 공정이다. 수소는 미래의 에너지 운반체로 사용 시 탄소배출이 없고 높은 중량에너지(142 MJ/kg, 25℃)를 가진다는 장점이 있다. 그러나, 현재 생산되는 수소의 90% 이상은 탄소배출이 존재하는 화석연료 기반 메탄 개질방법을 통해 생산된다. 이는 수전해를 통해 생산된 그린수소의 가격경쟁력이 떨어지기 때문이다.

현재까지 수소가격을 낮추기 위해 다양한 수전해 기술이 개발되어왔다. 기존의 상용 기술인 알칼라인 수전해는 낮은 생산성 및 반응성의 문제를 가지고 있으며, 양이온 교환막 수전해는 강한 부식성 환경으로 내식성이 강한 귀금속 사용이 불가피하기 때문에 스택비용이 높아 수소가격을 낮추는데 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 음이온 교환막 수전해 기술이 개발되었으며, 이는 스택비용이 저렴하지만, 현재 양이온 교환막 수전해에 비해 성능 및 수명이 낮다. 나아가 알칼라인 전해질을 사용하는 것보다 초순수를 사용하여 전체적인 수전해 시스템의 장기 안정성을 확보하는 것이 시급하다.

전기화학 촉매는 수전해 반응에 필수적이다. 수전해 반응은 수소발생반응과 산소발생반응으로 이루어지며, 2전자 반응인 수소발생반응 보다 4전자 반응인 산소발생 반응이 더 느리기 때문에 전체 수전해 반응속도는 산소발생반응 속도에 의하여 결정되어 “병목현상”으로 여겨진다. 게다가 산성 혹은 알칼라인이 아닌 초순수를 전해하기 위해서는 물분자를 해리시키는 초기단계가 추가적으로 필요하기 때문에 추가적인 에너지가 요구된다. 이에 수소가격을 낮추기 위해서는 낮은 전압에서 높은 전류밀도를 보이는 고성능 촉매 개발이 불가피하며, 장기 안정성 또한 보장되어야 한다.

일반적으로 산소발생반응에 이리듐, 루테늄 기반의 귀금속의 활성이 뛰어나다고 알려져 있다. 그러나, 이러한 귀금속들은 공급량이 제한적이고 값이 비싸다는 문제점을 지니고 있다. 이를 해결하기 위해서 다양한 비귀금속기반의 촉매들이 개발되어 왔고 대표적인 산소발생촉매에는 니켈-철 옥시수산화물이 있다. 그러나 이 촉매는 전기전도성이 낮고 상용화를 위한 높은 전류밀도의 환경에서는 활성점 손실이 발생하여 내구성에 대한 문제점을 지니고 있다. 이를 극복하고 고성능 고내구성을 지닌 비귀금속기반의 산소 발생촉매를 개발하는 것이 필요하다.

2. 연구내용

연구팀은 전기도금과 질화공정을 통해 바나듐-니켈-철 옥시수산화물 표면에 니켈 질화물을 성장시켜 비귀금속 기반 고성능 산소발생촉매를 제조하였다. 바나듐 도핑과 니켈 질화물을 추가적으로 표면에 성장시켜, 전기전도도를 향상시킴과 동시에 활성점을 안정화시켜 성능과 장기 안정성을 확보할 수 있음을 제시하였다.

이 촉매는 알칼라인 조건에서 실질적으로 상업화에 필요한 전류밀도의 두 배인 전류밀도 1 A/cm2를 낮은 과전압2 (270 mV)에서 도달하였다. 전류밀도 1 A/cm2를 일정하게 가해주는 안정성 실험에서 1000시간 동안 손상 없이 안정적으로 구동하였다. 게다가 음이온 교환막 수전해 시스템의 초순수 환경에서는 전체 셀 전압 1.85 V에서 전류밀도 685 mA/cm2를 나타내어 뛰어난 성능을 보였다. 이는 귀금속기반 촉매(음극: 백금, 양극: 이리듐산화물)를 사용한 음이온 교환막 수전해 성능(전체 셀전압 1.85 V 전류밀도 355 mA/cm2) 대비 약 두 배가량 높은 수치를 보인다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발된 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철기반 촉매를 활용하여 알칼라인 조건에서 상용화를 위한 전류밀도 기준 대비 약 두 배가량 높은 성능을 낮은 전압에서 얻었으며, 1000시간 이상의 장기 안정성 또한 확보하였다. 이는 기존 촉매의 단점을 이종원소의 도핑과 금속질화물의 도입으로 극복하였다. 결과적으로 귀금속 기반의 촉매를 사용한 음이온 교환막과 비교하여 두 배 가량높은 성능을 얻을 수 있었고, 본 연구결과를 기반으로 값싼 그린 수소 생산을 위한 수전해 시스템이 구축될 것을 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 전류밀도 (Current Density)

단위 면적당 전류의 양으로 전기화학반응에서는 반응속도을 표현

2. 과전압 (Overpotential)

이론 전압과 실제로 반응이 일어나는 전압의 차이

3. 음이온 교환막 수전해 시스템 (Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer)

음이온만을 선택적으로 이동시킬 수 있는 음이온 교환막을 전해질로 사용하여 수소를 생산하는 전해 시스템

4. 초순수 (Ultra Pure Water)

물 속의 무기질, 미립자, 박테리아, 미생물, 용존가스 등을 제거한 고도로 정제된 물

5. BOP (Balance of Plant)

일반적으로 발전 장치 자체를 제외한 모든 지원 구성 요소를 뜻하며, 수전해 시스템에서는 전해조를 제외한 모든 구성

6. 질화공정 (Nitrification Process)

질화물을 형성하는 공정

7. 중량에너지 (Gravimetric Energy)

질량당 저장할 수 있는 에너지

8. 메탄 개질 방법 (Steam Methane Reforming Method)

합성가스를 생산하는 방법으로 탄화수소와 수증기를 이용한 화학 반응으로 일산화탄소와 수소를 생산하는 방법

9. 스택비용 (Stack Cost)

수전해 셀을 구성하는 구성품의 전체적인 비용

[붙임] 그림설명

그림1. 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철 기반 촉매합성 과정

그림2. 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철 기반 촉매 및 대조군 촉매에 대한 전기화학적 산소발생반응 half-cell 실험결과 (산소 가스 포화된 1 M KOH, 25 ℃,)

(a) 전위주사방법을 통한 전압-전류 곡선, (b) 타펠 기울기, (c) 전기화학적 임피던스 분광법, (d) 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철기반 촉매의 다단계 정전류실험 결과, (e) 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철기반 촉매와 이리듐산화물의 정전류 실험 (전류밀도 1 A/cm2)을 통한 장기 안정성, (f) 니켈 질화물을 도입한 바나듐-니켈-철기반 촉매의 1000시간 장기안정성 측정 전, 후 전위주사방법을 통한 전압-전류 곡선

그림3. 음이온 교환막 수전해 시스템

그림4. 전기화학적 음이온 교환막 수전해 시스템 성능평가 (70℃ 초순수)

(a) 정상상태 전류-전압 곡선, (b) 전기화학적 임피던스 분광법, (c) 음이온 교환막 수전해 셀 등가회로, (d) 활성 에너지, (e) 전체 셀 전압 1.8 V에서 정전위 실험을 통한 장기안정성 평가, (f) 1 kg 수소 생산 시 필요한 전기 에너지