조진한 고려대학교 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 교수와 김명진 교수(경북대), 김병현 교수(한양대)로 이뤄진 연구팀이 상온/용액공정을 통해 천연 면섬유 직물 소재에 탄소나노튜브 복합체를 코팅한 후 비귀금속인 니켈 합금의 추가적인 전기도금을 통해, 세계 최고 수준의 수소 생산 성능과 구동 안정성을 동시에 갖춘 초고효율 수전해 전극을 제작하는 데에 성공했다.

이번 연구성과는 에너지 환경 공학/촉매 분야의 권위 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental(IF:22.1)에 12월 4일자 온라인 게재됐다.

수소는 연소, 연료전지 두가지 방식으로 에너지로 전환될 수 있으며 이 과정에서 온실가스를 발생시키지 않는 가장 전도 유망한 차세대 친환경 에너지로 많은 주목받고 있다.

특히 수소 생산 방법 중에 수전해 방식은 온실가스를 배출하지 않는 그린 수소를 생산하는 방식으로 많은 각광을 받고 있다.

그러나 수전해 방식은 수소를 생산하는 데에 높은 전압이 필요하여 낮은 수소 생산 효율을 지닌다는 한계점이 있어 낮은 전압, 고전류 밀도에서 높은 수전해 성능을 장시간 유지하는 전극을 개발하는 것이 핵심과제였다.

따라서 그린수소 생산을 보편화하기 위해서는 낮은 전압으로도 구동이 가능해야 하며 높은 전류 조건에서도 장시간 구동할 수 있는 안정성이 보장돼야 한다.

기존에는 성능과 안정성을 보장하기 위해 백금, 이리듐, 루테늄과 같은 귀금속 물질을 촉매로 사용했지만 비용에 따른 경제성 문제로 대규모 생산에 장벽으로 작용했다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 니켈 기반의 전이 금속이 합금화된 형태의 촉매를 표면적이 넓은 지지체에 도입해 성능과 안정성을 향상시키는 수전해 전극을 제작하는 방식의 접근이 주목받고 있다.

이에 연구팀은 직물 소재 기반의 높은 기공도를 갖는 다공성 지지체에 계면 상호작용을 이용, 범용적인 탄소나노튜브와 단분자 링커로 이뤄진 복합체 층을 코팅해 전도성과 다공성을 확보한 후, 추가적인 전기도금을 통해 금속 전도성층, 촉매층을 도입했다.

해당 방식을 통해 기존의 무전해 도금법(화학적 환원법), 수열합성법 등 기존 방식이 가진 불안정성, 코팅의 불균일성의 한계를 극복할 수 있었다.

금속/촉매층을 직물소재를 구성하는 섬유 가닥 단위까지 균일하게 도입해 전기전도성, 비표면적을 증가시켜 성능을 극대화했을 뿐 아니라 수소결합과 같은 강한 인력을 기반으로 하여 높은 구동 안정성을 구현했다.

해당 기술은 보편적이고 경제적인 면섬유 직물, 비귀금속 등의 소재들을 이용해 높은 성능, 안정성을 달성(10 mA/cm2에서 1.34 V의 셀전압, 3 A/cm2에서 1000 시간 이상 성능 유지)했다는 점에서 기존 알칼라인 전해질 기반의 수전해 전극의 한계점을 극복했다.

더 나아가 기존에 본 연구진에서 개발했던 우수한 수전해 전극에 비하여 기계적 물성을 대폭 향상했으며 저온의 용액 기반 공정이라는 점에서 상용화 가능성이 높을 것으로 예상된다.

조진한 고려대 화공생명공학과/KU-KIST 융합대학원 교수는 “이번 연구는 기존에 본 연구그룹에서 2022년도에 보고한 최고 성능의 알칼라인 전해질 기반의 수전해 전극 성능을 더욱 향상시킨 결과이며 현재까지 보고된 다양한 알칼라인 수전해 전극들중에서 가장 뛰어난 성능을 보이고 있다, 또한 천연 섬유의 기공도를 조절할 수 있는 전통 직물 산업의 기술을 접목시킨다면 향후 더욱 뛰어난 고성능 수전해 전극을 만들 수 있는 높은 시너지 효과를 가지고 있다”고 말했다.