국내 연구진이 값비싼 귀금속을 사용하지 않고 그린수소를 생산하는 음이온교환막수전해 기술을 상용 수준으로 끌어올리는 수전해 스택 실증 기술을 국내 최초로 개발하는데 성공했다.

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 에너지전자재료연구실 최승목 박사 연구팀은 비귀금속 촉매 개발부터 대면적 전극, 그리고 실증화 수전해 스택 기술에 이르기까지 전주기 통합 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

‘2050 탄소중립’을 위해 수소는 화석연료를 대체하는 대표적인 청정에너지원으로 주목받고 있으며, 온실가스를 배출하지 않고 수소를 생산하는 수전해 기술 개발이 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. 그린수소 생산에 적합한 수전해 기술 중 음이온교환막수전해는 비귀금속 촉매를 사용해 고순도의 수소를 저가로 안전하게 생산 가능한 차세대 수전해 기술이다.

고효율의 수전해 시스템을 완성하기 위해서는 스택(시스템의 핵심 부품) 맞춤형 고활성 촉매 개발이 필수적이다. 현재까지 우수한 성능의 촉매가 많이 개발되고 있지만 촉매 단위의 성능 검증을 넘어 실제 상용 가능한 수준의 스택 성능에 대한 검증이 반드시 요구된다. 지금까지는 촉매의 대량생산, 복잡한 전극화 공정 및 시스템 연구에 있어서 한계가 있었다.

연구팀은 기존의 값이 싼 니켈과 코발트 촉매 나노입자에 산화도를 부분적으로 변화시켜 수소가 발생할 때 생기는 활성도와 내구성을 함께 확보하는 방법을 제안했다. 그리고 이를 수소발생 시스템에서 확인함으로써 이를 실증하는데 성공했다.

연구팀은 산화도를 부분적으로 제어해 수소 발생 활성을 감소시키는 수산화이온(OH-)의 흡착 반응을 산화물에 집중시켰다. 이를 통해 활성금속촉매의 성능을 향상시키고 이와 동시에 금속이온입자의 용출을 억제하여 활성과 내구성을 동시에 확보했다. 이는 단순히 성능과 내구성이 확보된 수소 발생 촉매 개발을 넘어 이를 상용 수준의 대면적 스택에 적용 및 구현할 수 있다는 점을 국내 최초로 확인한 것으로 실용화 가능성을 높였다고 할 수 있다.

연구팀의 양주찬 선임연구원은 “수전해 스택 실증을 통해 음이온교환막수전해의 상용화 시점을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”며 “이와 같은 결과를 기반으로 2021년 농촌진흥청 농업과학기술 연구개발사업(과제명 : 재생에너지 연계 폐양액 이용 수전해 수소 생산 기술 연구)에 선정됐다”고 말했다.

한국재료연구원 이정환 원장은 “연구원은 최근 수소에너지 관련 전주기 소재 기술 등에 대한 연구사업을 기획 및 발굴, 수행할 조직으로 연구원 내에 ‘탄소중립소재기술연구기획단’을 신설해 소재기술의 탄소중립 실현에 앞장서고 있다”며 “이번 연구결과는 정부의 수소 생태계 조기 정착에 많은 부분 기여할 수 있다는 점에서 그 의미가 크다”고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부의 수소에너지혁신기술개발사업과 한국재료연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 최근 환경분야 상위 1%의 국제학술지인 엘스비어(ELSEVIER)의 어플라이드 카탈리시스 비 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)에 3월26일자로 게재됐다.

연구팀은 현재 본 연구결과를 기반으로 음이온교환막수전해 스택을 시스템에 적용하기 위한 상용화 연구를 진행 중에 있다.