"수전해 기포 통과 '고속도로' 확보" 고효율 그린수소 생산 구현

수전해 성능과 안정성을 동시에 확보해 고효율 그린수소를 생산할 수 있는 길이 열렸다. 수전해는 물을 전기분해해 청정수소를 생산하는 기술이다. 하지만 수전해 과정에서 발생한 기포가 통로를 틀어막아 효율이 낮아지는 한계를 가졌다. 국내 연구팀은 이러한 문제를 해결, 뻥 뚫린 고속도로처럼 기포가 빠르게 빠져나가 수소 생산 효율을 높일 수 있는 혁신 기술을 개발했다.

KAIST는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀·건국대 이장용 교수 연구팀과 협력해 촉매층 내부에서 물과 기체가 지나는 길을 새롭게 설계, 수전해 성능과 안정성을 동시 확보하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

(윗줄 왼쪽부터) 변재호 KAIST 박사과정생, 반민경 KAIST 박사과정생, (아랫줄 왼쪽부터) 이진우 KAIST 교수, 김성준 화학연 박사, 이장용 건국대 교수. KAIST

먼저 공동연구팀은 2차원 메조다공성 탄소(나노 크기의 미세한 구멍이 많은 얇은 탄소 구조체) 나노시트로 물질이 원활하게 이동할 수 있는 저굴곡 구조를 만들었다. 좁고 복잡한 골목길을 대신해 물과 기체가 빠르게 지나갈 수 있는 '고속도로 같은 통로'를 촉매층 내부에 구현한 것이다.

또 탄소 표면에 루테늄(Ru) 나노클러스터(nanocluster·수 ㎚ 크기의 초미세 금속 입자)를 안정적으로 고정해 수소 발생 반응 속도를 높이고, 장시간 구동해도 촉매가 손상되지 않는 계면(서로 다른 물질이 맞닿는 경계면) 구조를 제어했다.

이 기술을 적용했을 때 수전해 과정에서 발생하는 기포는 촉매층 내부에 쌓이지 않고, 빠르게 배출되는 것이 확인됐다. 고전류가 흐르는 극한 환경에서도 반응은 안정성을 유지했다.

연구의 핵심은 수소가 만들어지는 길 자체를 새롭게 설계해 기존의 문제점을 해소했다는 점이다. 기존 수전해 장치는 반응 과정에서 생기는 기포가 내부에 쌓여 물과 전기의 흐름을 방해해 성능이 낮아졌다. 이와 달리 공동연구팀은 기포가 빠르게 빠져나갈 수 있게 촉매층 구조를 바꿔 이 같은 문제를 해결했다.

현재 수소는 탄소중립 시대의 핵심 청정에너지로 주목받지만 생산 비용이 많이 들고, 시스템 효율이 낮은 한계를 보인 까닭이다. 특히 기존 고성능 수전해 장치는 고가의 귀금속을 다량 사용해야 하는 탓에 대규모 상용화에도 어려움이 따랐다.

이와 달리 공동연구팀이 개발한 기술은 친환경 수소를 저렴한 가격에 보다 효율적으로 생산할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미를 갖는다.

2D 메조다공성 촉매층 기반의 그린수소 생산 기술 개요도(AI 생성). KAIST

공동연구팀은 이번 기술이 적은 양의 귀금속만으로도 높은 성능과 안정성을 구현할 가능성을 보여줬다는 점을 강조한다. 이를 토대로 향후 대규모 그린수소 생산과 친환경 발전 시스템, 수소차·친환경 모빌리티, 탄소중립 산업 공정 등 다양한 분야로 해당 기술을 확대 적용할 수 있을 것으로 내다본다.

이진우 교수는 "이번 연구는 에너지가 흐르는 길을 새롭게 설계해 수전해 효율을 높인 게 핵심"이라며 "소량의 귀금속으로도 고효율 그린수소 생산이 가능해 향후 친환경 수소 생산 상용화를 앞당기는 데도 기여할 것"이라고 말했다.

한편 연구에는 KAIST 생명화학공학과 변재호·반민경 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난 22일 에너지 분야 국제 학술지 'Joule(줄)' 온라인판에 게재, 9월 16일자 Joule 정식 호에도 수록될 예정이다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr