싼 재료로 전기 조금 써 수소 만들었다

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀이 물을 전기로 분해해 수소를 만드는 수전해시스템 속 음이온교환막을 개발했다. 연구진이 개발한 음이온교환막은 수소 1㎏을 만드는데 전기를 47㎾/h 사용해 귀금속이 들어간 교환막보다 6㎾/h 덜 사용했다. 또한 1000시간 이상 사용할 수 있어 3배 이상 내구성을 끌어올려 수소 생산에 투입되는 비용을 더 낮출 수 있다.

이번 개발에 참여한 에너지화학공학과 판디아라잔 탕가벨 박사는 21일 "기존 니켈-철기반의 교환막은 전기전도성이 낮고 수전해 환경에서 안정성 확보가 시급했다"며 "교환막에 다른 금속을 추가해 비귀금속기반의 고성능, 고내구성 산소발생 교환막을 개발했다"고 말했다.

지금까지 물에서 수소와 산소를 분리해 뽑아내는 수전해시스템에는 고가의 이리듐을 사용한 음이온교환막을 사용했다.

수소 생산속도를 올리기위해서는 동시에 산소발생 속도를 빨리해야 가능하다. 이를 위해 시스템 속 음이온교환막을 이리듐과 루테늄 등 귀금속만이 쓰였다.

연구진은 귀금속 대신 바나듐-니켈-철 옥시수산화물로 고성능 산소발생 교환막을 만들었다.

니켈-철 옥시수산화물의 낮은 전기전도성을 보완하기 위해 바나듐을 도핑시키고 니켈 질화물을 표면에 성장시켰다. 이와 동시에 활성점을 안정화시켜 성능과 안정성까지 향상시켰다. 이 교환막은 알칼라인 환경 뿐만아니라 순수한 물을 흘려주는 음이온 교환막 수전해 시스템에서도 성능이 뛰어났다.

실험 결과, 알칼라인 조건에서 실질적으로 상업화에 필요한 전류밀도의 두 배인 전류밀도 1A/㎠를 낮은 과전압인 270㎷에서 도달했다. 안정성 실험에서는 1000시간 동안 손상 없이 안정적으로 작동했다. 또한 음이온 교환막 수전해 시스템의 초순수 환경에서는 전체 셀 전압 1.85V에서 전류밀도 685㎃/㎠를 나타내 뛰어난 성능을 보였다. 연구진은 "이는 귀금속 촉매 기반의 음이온 교환막보다 약 두 배가량 높은 수치"라고 설명했다.

뿐만아니라 이 음이온교환막의 패러데이 효율은 99.6%에 달했다.

패러데이 효율은 물을 전기분해해 나오는 수소의 양을 말하는데 100%에 가까울수록 전류를 효율적으로 사용하는 것을 뜻한다.

권영국 교수는 "촉매의 기본 요소인 성능과 안정성을 동시에 확보하는 것은 수전해 기술의 상업화에 필수적이다"며 "촉매 개발에 있어 기존 촉매의 단점을 잘 이해하고 이를 해결하기 위한 노력으로 수소경제 실현에 이바지하겠다"고 말했다.

연구진은 새로 개발한 음이온 교환막을 에너지·환경과학 분야의 세계적 권위지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 발표, 표지논문으로 선정됐다.

[e-mail] 김만기 기자