[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전기화학적 기체발생반응은 그린수소를 위한 수전해, 금속-공기 배터리 등 차세대 전기화학적 에너지 변환 및 저장 장치 개발을 위해 필수적인 반응이다.

본 연구에서는 전기화학적 기체발생반응만의 특징으로서, 기체 생산 과정에서 수반되는 문제점에 초점을 맞추어 진행된 연구이다. 전기화학적 기체발생반응은 전극을 수용액 전해질에 담가둔 상태에서 전압을 인가하게 되면 전극 표면에서 기체(수소, 산소, 질소 등)가 생산되는 방식으로 수행된다. 이 때, 발생된 기체가 제때 떨어지지 못하고 전극 표면에 흡착되어있으면, 전극으로의 전해질 공급이 원활하지 못하여 반응이 일어나지 못하게되고, 추가적인 전기에너지가 소모되어 효율이 낮아지게된다. 또한 기체가 누적되다가 한 번에 탈착되면, 순간적으로 강한 물리적인 외력이 촉매에 가해지게 되어 촉매의 안정성에도 부정적인 영향을 미친다.

2. 연구내용

위 문제점을 해결하기 위해서, 이번 연구에서는 전극 표면에서 생성된 기체를 빠르게 제거하는 대면적 하이드로젤 박막 증착 기술을 개발했다(그림1).

기체 생산 반응에서 생산되는 기체는 고부가가치를 갖는 생산물이지만, 전극 입장에서는 전극으로의 전해질 반응물의 도달을 막는 대상이다. 이에 따라 산업에 필수적인 기체를 생산하기 위해 필요한 전기에너지 소모가 증가하고, 결과적으로 생산 효율을 낮추어 비용 문제가 발생하여 상용화에 어려움이 생긴다.

연구팀은 친수성(=혐기성) 골격을 전극 표면에 증착해주어(그림2a,b), 효율성과 안정성을 획기적으로 증가시켜주었다. 니켈, 백금 전극에 하이드로젤 박막을 코팅해주어, 친수성에 의해 전해질 반응물이 전극에 빠르게 침투해줄 수 있도록 도와주는 동시에, 발생된 기체 생성물이 하이드로젤의 혐기성 골격을 따라 외부로 배출될 수 있도록 촉진시켜주었다(그림1).

본 연구진이 개발한 하이드로젤 박막 시스템은 수소, 산소, 질소 생성 반응 등에 보편적으로 적용되어 반응효율을 크게 향상시키고, 기체가 전극 표면에 누적되지 않고 제때 탈착되면서 전극에도 작은 힘을 가해주어 안정성 또한 크게 향상되었다(그림3a).

3. 기대효과

이미 산업계에서 양산 중인 하이드로젤 재료를 사용하여 5분 이내에 대면적(100cm2) 크기의 전극을 제조하였고, 대부분의 가스발생반응에 보편적으로 적용이 가능한 시스템이다(그림2c). 이는 산업 전반에 필수적인 기체를 생산할 수 있는 전기화학적 기체생산 시스템 개발에 도움이 된다. 특히, 물을 전기분해(=수전해)하게되면 그린수소와 산소가 발생하게 되는데, 수전해 반응의 수소/산소전극에 범용적으로 적용이 가능하여, 탄소중립을 위한 수소 생산 인프라를 구축하는데 기여할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 전기화학적 가스발생반응(Gas evolution reactions)

전기에너지를 가해주어 전해질 반응물로부터 기체를 생산하는 반응이다. 전극을 전해질에 담그면 전극과 전해질(반응물)이 접촉하게 되고, 이 상태에서 전기에너지를 가해주면 기체가 전극표면에서 기체가 생산된다. 대표적으로, 물을 전기분해하여 그린수소, 산소를 생산하는 수전해반응이 있다. 이외에도 하이드라진을 산화시켜 질소를 생산할 수 있다.

2. 친수성(Hydrophilicity), 초혐기(Aerophobicity)

물 기반의 용액이 전극 표면에 잘 펼쳐지거나 흡수되는 현상을 친수성이라고 한다. 예를 들어, 자동차 유리의 초발수 코팅은 친수성을 감소시켜 물이 표면에 퍼지지 못하고 굴러가는 것이다. 초혐기는 기체가 표면에서 퍼지지 못하고 잘 떨어져나가는 현상이다. 본 연구에서 개발한 하이드로젤 시스템은 친수성 및 초혐기 특성을 지니고 있어 전극으로부터 기체가 잘 떨어져나가고, 전해질이 잘 침투되도록 하여 기체발생반응 전극의 성능과 안정성을 개선시킨 연구이다.

3. 하이드로젤(Hydrogel)

적절한 화학작용기를 가지는 긴 사슬형태를 갖는 고분자를 서로 연결시켜주면, 초혐기/친수성를 동시에 갖는 그물형태의 골격구조를 가지는 하이드로젤이 형성되며 구조 안에 다량의 수용액을 함유할 수 있게 된다. 스펀지와 같은 구조를 가져 구조 내부에 물(수용액 전해질)을 머금으면서, 동시에 혐기성으로 기체(수소, 산소, 질소)를 빠르게 내뱉어주는 역할을 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 기존 전극과 하이드로젤 코팅 전극의 장/단점 비교

a) 기존에는 생산된 기체가 잘 떨어지지 못하여 액체전해질이 전극/촉매로 도달하지 못하여 촉매 활성 면적을 감소시키고, 전기에너지 소모가 증가하게 된다. 또한, 축적된 기체는 탈착 과정에서 강한 외력을 가하게되어 촉매를 열화시킨다.

b) 하이드로젤 박막이 코팅된 전극은 기체가 전극에서 빠르게 탈착되어 지속적인 전해질 공급으로 반응면적이 넓어질 수 있다. 또한, 기체가 축적되지 않고 작은 상태에서 탈착되면서 가해지는 외력이 최소화 되어 전극/촉매가 안정할 수 있다.

그림2. 기존 전극과 하이드로젤 전극의 이미지와 전기화학적 가스발생반응의 생산성 비교

a) 가스발생전극 위에, 열린 기공을 갖는 하이드로젤 골격을 코팅하였다. 기체가 빠져나갈 수 있게 도와주는 통로역할을 하는 골격을 통해서, 드러난 전극에서 반응하면서 발생한 기체가 빠르게 배출될 수 있도록 한다.

b) 기체/전극 사이의 접촉 각도 측정 결과. 본 연구진이 개발한 하이드로젤 박막 기술은 전극 소재에 구분짓지 않고 모두 초혐기성을 띄는 표면으로 개질해줄 수 있는 것을 확인하였다.

c) 전기화학적 기체 발생 반응의 생산성 비교. 수소, 질소, 산소 기체연료 생산 효율이 모두 증가하는 것을 확인하였다.

그림3. 기존 전극과 하이드로젤 전극에서의, 촉매 안정성 비교

a) 하이드로젤을 증착해준 전극은, 백금 전기촉매가 장시간 테스트 후에도 안정하게 분포해있는 것을 확인한 반면, 기존 전극은 백금 전기촉매가 응집되고 박리되는 것을 확인하였다. 하이드로젤 전극은 기체가 표면에 축적되지 않고 크기가 작은 상태에서 탈착되면서 촉매 표면에도 가해주는 힘이 최소화되어, 촉매가 응집하거나 박리되지 않고 장시간 안정하게 구동되었다.

b) 하이드로젤 코팅 전극은 20시간의 전기화학 테스트에도 안정한 성능을 유지하는 것을 확인하였다.