에너지연 연구진이 해수 수전해 전극 스택을 테스트 하고 있다. 에너지연 제공한국에너지기술연구원은 SCI 융합연구단 한지형 박사 연구팀이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반 고성능 전극을 개발했다고 7일 밝혔다.
에너지연에 따르면 개발된 전극은 탄소섬유 지지체를 적용한 해수 수전해용 전극 중 세계 최초로 고전류 조건에서 800시간 이상의 장기 연속 운전에 성공해 상용화 가능성을 보여줬다.
수전해 기술은 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술로 주로 담수를 사용하고 있지만 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목 받고 있다.
해수 수전해 장치의 성능과 수명은 전극을 구성하는 촉매와 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 따라 달라진다. 일반적으로 백금, 루테늄과 같은 귀금속 기반 촉매가 활용되고 있지만, 비용 문제로 최근에는 비귀금속계 촉매나 최소한의 귀금속을 사용하는 방식이 연구되고 있다.
또 금속 재질의 지지체는 염소이온이 일으키는 부식에 취약해 수명의 한계가 명확했다.
연구진은 최적의 산 처리 공정을 통해 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 기반 전극을 개발하고 기존 전극의 단점을 극복했다. 개발된 전극은 과전압을 25% 낮춰 기존 전극 대비 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 나타냈다.
또 산 처리 전용 용기를 새로이 설계해 농도 변화를 방지하고 최적의 탄소섬유 지지체 표면 처리에 성공했다.
산 처리된 탄소섬유 지지체는 높은 친수성을 가져 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도한다. 특히, 귀금속인 루테늄은 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학적 성능을 낼 수 있게 했다.
에너지연 연구진이 개발한 촉매가 적용된 전극의 합성공정. 에너지연 제공 이를 통해 완성된 코발트-몰리브덴 촉매는 촉매 무게 중 단 1% 수준의 루테늄을 사용했음에도 기존 코발트-몰리브덴 촉매 대비 과전압을 약 25% 낮추는 데 성공했다. 과도하게 투입되는 전압을 줄여 동일한 전류 밀도에서 약 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 이끌었다.
에너지연 한지형 박사는 "이번 기술은 탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례"라며, "향후 1000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반의 모듈화·스택화 연구를 통해 실증 수준으로 기술을 확장할 계획"이라고 말했다.