[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

물 전기분해를 통해 수소를 생산하는 과정에서는 전극 표면에서 다량의 기체가 발생한다. 하지만 전극 표면에 생성된 기포가 제때 떨어지지 않고 머물면, 전극으로의 물 공급이 막히면서 반응 효율이 급격히 떨어지고 추가적인 전력 손실이 발생한다. 이러한 문제는 전극의 성능과 함께 시스템 전반의 에너지 효율에도 직결되는 중요한 한계로 꼽혀왔다.

2.연구내용

이번 연구에서는 전기화학적 수전해 과정에서 발생하는 기체가 전극 표면에 머무르며 반응 효율을 저해하는 문제를 해결하기 위해, 물과 기체가 모두 통과 가능하지만 이동 방향이 한쪽으로만 제한되는 전극 구조를 개발하였다.

기존 PTL은 높은 친수성 때문에 물 공급은 원활하지만, 생성되는 기체가 내부 기공에 쉽게 갇혀 기체 축적이 누적되는 문제가 있었다(그림 1a). 반대로 전체가 소수성인 구조는 기체 배출은 유리하지만 물이 충분히 공급되지 않는 단점이 있었다. 연구팀은 이러한 상충 관계를 해결하기 위해, PTL 상단 절반에 PTFE(테플론)를 선택적으로 코팅해 소수성을 부여하고, 하단은 친수성을 유지하는 이방성 구조(AW-PTL)를 만들었다(그림 1b). PTFE는 스프레이 도포 후 열처리로 고정해, 복잡한 미세가공 없이 균일한 부분 코팅을 구현했다.

기체 투과 실험(그림 2)에서는 기존 전달층이 기체 통과를 막아 기포가 내부에 머무른 반면, AW-PTL에서는 생성된 기체가 소수성 영역을 따라 위쪽으로 빠르게 이동해 배출되는 것이 확인되었다. 이 과정에서 기포가 전달층을 빠져나오기 위해 필요한 최소 압력(버블 포인트 압력)은 기존 약 1000 Pa에서 64.8 Pa로 크게 감소해, 구조적 기체 배출 성능이 크게 향상됨을 확인했다.

전기화학적 성능 평가(그림 3)에서는 AW-PTL을 적용한 AEM 수전해 셀의 전류밀도가 2.1 V 조건에서 1151 mA/cm²로 기존 대비 약 1.4배 증가한 것으로 나타났다. 이는 전달층 내부의 기포 축적이 줄어들면서 물질이동 저항이 감소한 결과이며, 고전류 조건에서 문제되던 전압 상승도 크게 억제되었다.

3.기대효과

이번에 개발한 AW-PTL 전극은 산업 현장에서 사용되는 공정과 재료를 바탕으로, 225 cm2 규모의 대면적 전극을 손쉽게 제조할 수 있는 기술로 구현되었다(그림4). 복잡한 미세가공 없이도 균일한 전극 제조가 가능해 대량 생산과 상용화에 적합하다.

또한 본 기술은 수전해 전반적인 반응에 모두 적용 가능한 범용성을 가진 플랫폼으로, 수전해 시스템의 수소 및 산소 전극 모두에서 반응 효율을 향상시킨다. 이를 통해 그린수소 생산과 탄소중립형 에너지 인프라 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1.비등방성 습윤성(Anisotropic wettability)

한쪽은 물이 잘 퍼지고(친수성), 반대쪽은 잘 퍼지지 않는(소수성) 방향성을 갖는 젖음 특성이다. 예를 들어 연잎의 표면은 물방울이 굴러다니는 소수성인데, 미세한 돌기의 배열이나 화학 조성에 따라 한쪽 방향으로만 물이 스며들거나 기포가 스며들 수 있다. 이러한 특성을 ‘비등방성 습윤성’이라 하며, 이번 연구에서는 이를 이용해 물은 전극 쪽으로 스며들고 기포는 반대쪽으로 배출되도록 제어했다.

2.다공성 수송층(Porous Transport Layer, PTL)

전극의 촉매층과 전해질 사이에서 반응물과 생성물을 전달하는 다공성 구조체로, 수전해 셀이나 연료전지 등 다양한 전기화학 시스템의 핵심 부품이다. 수용액이 흐르고 기체가 통과하는 길을 제공하며, 반응 효율과 안정성을 좌우한다. 이번 연구에서는 PTL 내부의 기공 구조를 비대칭으로 설계해 물과 기체가 서로 다른 방향으로 이동하도록 하여 수소 생산 효율을 극대화시켰다.

3.테플론(Polytetrafluoroethylene, Teflon, PTFE)

마찰이 적고 물이나 기름이 달라붙지 않는 특성으로 유명한 고분자 소재다. 프라이팬 코팅이나 방수 의류(예: 고어텍스) 등에 널리 쓰이며, 높은 내열성과 화학적 안정성 덕분에 산업용 코팅재로도 활용된다. 연구진은 이러한 테플론의 소수성 특성을 이용해, 촉매에서 발생한 기체가 쉽게 배출되고 물이 지속적으로 공급될 수 있는 전극 구조를 구현했다.

[붙임] 그림설명

그림1. 기존 수소 생산 시스템과 코팅 수송층을 적용한 수소 생산 시스템 비교 (a) 기존에는 생산된 기체가 내부에 축적되어 원료인 물(이온)이 반응이 일어나는 장소인 전극 촉매로 도달하지 못했다. 이는 촉매 활성 면적을 감소시키고, 전기에너지 소모를 증가시킨다. (b) 개발한 다공성 수송층 전극은 촉매에서 발생한 기체를 빠르게 확산시켜 지속적인 전해질 공급으로 촉매 반응 면적을 넓힐 수 있다. 이는 전기에너지 소모를 낮춰 효율적인 수소 생산을 가능케 한다.

그림2. 수송층 종류별 수소 생산 시스템의 성능 비교. 개발된 수송층을 적용한 경우, 동일 전압에서 전류밀도가 최대 1.4배 향상하여 수소 생산 속도가 향상되었다. 이는 전극 표면의 기체 축적이 억제되고 전해질 공급이 원활해진 결과로, 전체 에너지 효율이 개선되었음을 보여준다.

그림3. 개발된 수송층(AW-PTL)의 대면적(225 cm²) 시제품. 본 수송층은 산업 현장에서 널리 쓰이는 테플론 기반 소재를 활용해 제작됐다. 테플론은 프라이팬 코팅이나 방수 의류(예: 고어텍스) 등 일상생활에서도 쉽게 접할 수 있는 재료다. 이러한 상용 소재를 이용함으로써, 복잡한 공정 없이도 대면적 대량 생산이 가능한 전극 구조를 만들 수 있었다.