저비용·고효율 수소생산이 가능한 차세대 전극이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)은 주종훈 환경·에너지공학과 교수 연구팀이 건국대학교 이장용 교수 연구팀, 한국화학연구원 김성준 박사 연구팀과 공동으로 차세대 그린수소 생산 장치의 성능과 내구성을 높일 수 있는 ‘일체형 비귀금속 다공성 전극’을 개발했다고 26일 밝혔다.

이 전극은 수소 생산 과정에서 산소 반응을 담당하는 촉매 기능과 물·기체 이동을 돕는 전달 기능을 하나의 구조로 통합한 것이 특징이다.

최근 탄소중립 실현을 위한 ‘그린수소’는 생산 과정에서 탄소를 배출하지 않는다. 수소분리에, 촉매로 값비싼 백금족 귀금속 대신 니켈이나 철 같은 저렴한 촉매를 쓸 수 있는 음이온 교환막 수전해 기술도 같이 주목받는다.

그러나 이 수전해 방식은 여러 층을 겹쳐 만드는 구조여서 전기 저항이 발생하고, 장시간 구동 시 촉매층이 떨어지거나 물과 산소 이동이 원활하지 않은 한계가 있다.

연구팀이 이를 해결한 것. 니켈–철 합금 기반 다공성 전극(NiFe-f-PTL)을 새롭게 설계했다. 이 전극은 미세한 구멍이 있는 다공성 구조 자체가 촉매와 전달층 역할을 동시에 수행하도록 제작됐다.

이를 통해 전극과 막 사이 전기 손실을 줄였다. 물 공급과 산소 기포 배출 성능도 향상시켰다. 또한 전극 구조 안정성을 높여 장시간 사용에도 성능 저하를 최소화했다.

전극 제작에는 비교적 단순한 공정인 ‘테이프 캐스팅(tape casting)’이 사용됐다. 금속 분말을 얇은 시트 형태로 만든 뒤 열처리 과정을 거쳐 스펀지처럼 미세한 구멍이 많은 다공성 구조를 형성했다. 이 방식은 전극 두께와 기공 구조를 균일하게 조절할 수 있어 향후 대면적·대량 생산에도 유리하다.

연구팀이 셀을 만들어 성능을 검증한 결과 80℃·1.0몰(M) 수산화칼륨(KOH) 환경에서 1.8볼트(V) 기준 6.73암페어(A/cm²)의 높은 전류밀도를 기록했다. 동일한 전극을 교체하지 않은 상태에서 총 2,142시간 동안 연속 구동한 시험에서도 구조와 성능이 안정적으로 유지됐다.

주종훈 교수는 "세대 대용량 그린수소 생산 시스템의 핵심 기술로 활용돼 고효율·저비용 수소 생산 장치 개발에 기여할 것"으로 기대했다.

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GIST 김혜리 박사·한국화학연구원 신상훈 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 온라인으로 게재됐다.

한편 GIST는 기술사업화실을 통해 이 기술에 대한 기술이전도 추진한다.