부산대학교 연구팀이 값싼 비귀금속 소재로 산소가 잘 확산하는 전극을 개발해, 차세대 친환경 수소 생산 기술인 음이온 교환막(AEM) 수전해*의 비용을 크게 낮추는 데 성공했다.

* 수전해: 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술.

부산대학교(총장 최재원)는 나노에너지공학과 박유세 교수 연구팀이 가격이 저렴한 비귀금속 소재를 활용해 산소 기체 확산이 용이한 전극 개발에 성공해, 차세대 수전해 기술인 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane) 수전해 스택*의 원가를 낮추고 그린 수소 생산 비용을 획기적으로 절감해 AEM 수전해 기술의 상용화 가능성을 크게 높였다고 14일 밝혔다.

* 스택(stack): 전극과 분리막이 포함된 ‘셀’을 여러 개 층층이 쌓아 연결한 장치로, 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해 반응이 동시에 여러 셀에서 일어나도록 해 수소 생산량을 늘리는 핵심 장치.

수소 사회로의 전환이 본격화되면서, 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 수전해 기술에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다. 이 가운데, AEM 수전해 기술은 고가의 귀금속(Pt·백금, Ir·이리듐 등) 대신 저렴한 비귀금속(Fe·철, Ni·니켈 등)을 전극 소재로 사용할 수 있어, 경제성이 뛰어난 차세대 수전해 방식으로 주목받고 있다. 그러나 핵심 부품인 산소 발생 전극의 낮은 성능과 복잡한 제조 공정 문제로 기술 상용화에는 여전히 제약이 존재해 왔다.

연구팀은 AEM 수전해 시스템 맞춤형 고성능 산소 기체 확산 전극을 개발함으로써, 기존 기술의 한계를 극복하고 AEM 수전해 기술의 실용화를 앞당겼다.

연구팀은 기체 확산이 용이한 다공성 전극 기판 위에 전기화학 공정과 표면 치환 반응을 통해 코발트-몰리브덴 층상 이중 수산화물 촉매층을 코팅한 산소 발생 전극을 개발했다. 이 전극은 산소 기체의 원활한 확산을 가능하게 해 기체가 격렬히 발생하는 고전류밀도 조건에서도 물질 전달에 의한 전압 손실을 획기적으로 낮춰 고효율 AEM 수전해 구현했다.

또한, 알칼리성 환경에서 몰리브덴의 동적 변화가 산소 발생 반응에 높은 활성을 가진 코발트 옥시수산화물로의 전이를 촉진해, 낮은 전류 밀도 조건에서도 전압 손실을 크게 줄이고 AEM 수전해 효율 개선에 중요한 역할을 한다는 점을 실시간 전기화학 및 라만 분석을 활용해 규명했다.

박유세 교수는 “산소 기체 확산 전극 개발로 AEM 수전해 효율이 획기적으로 개선되고, AEM 수전해 기술의 상용화 가능성도 한층 높아졌다”며 “앞으로 실증 기반의 후속 연구를 수행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노 및 소재기술개발사업과 H2GATHER 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 부산대 박유세 교수와 국립창원대 이승화 교수, 국립한밭대 신기현 교수, 한국재료연구원 이주영 박사가 공동 교신저자, 충북대 신소재공학과 이성준 석사과정생이 제1저자로 수행했다.

해당 성과는 다학제 분야 세계적 권위의 학술지인 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science)』 온라인 8월 4일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Sacrificial Template-Derived CoMo-LDH Gas Diffusion Electrode for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis (음이온 교환막 수전해 맞춤형 희생형 템플릿 기반 CoMo-LDH 가스 확산 전극 개발)