물에서 더 많은 수소 깨끗하고 쉽게 얻는다

부산대 김용태 교수팀, 전하전달 고속도로 개념 이용한 전극 고효율화 성공

전자전도도, 전극 설계 시 고전류 밀도 운전의 핵심 인자로 작용 ‘세계 첫 규명’

화석연료 고갈에 대비해 지구의 에너지 패러다임을 전환하고 있는 글로벌 의제인 ‘수소’를 친환경적이면서도 경제적으로 생산할 수 있는 기술이 국내 연구진이 주도한 국제공동연구팀에 의해 개발돼 본격적인 수소 사회로의 진입에 가속도가 붙을 것으로 기대된다.

부산대학교는 김용태(사진) 기계공학부 교수와 네나드 마르코비치(Nenad M. Markovic) 미국 아르곤국립연구소 박사가 주축이 된 국제공동연구팀이 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해(水電解·water electrolysis) 시스템에 있어서 전력 소비 효율을 극대화시킬 수 있는 최적의 전극 구조를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 도약(전략)과제, 한국에너지기술평가원 신재생에너지사업, 나노융합2020사업단의 연구비 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 ‘Balancing activity, stability and conductivity ofnanoporous core-shell iridium/iridium oxide oxygen evolution catalysts’라는 제목으로 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)』지 이달 13일자로 소개됐다.

최근 들어 기후변화 문제의 해결책으로 수소에너지에 대한 관심이 집중되면서 친환경적이면서도 경제적인 방법으로 수소를 생산할 수 있는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 수소를 생산하기 위한 여러 가지 방법 중 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 기술은 100%에 가까운 수소 순도와 더불어 부산물로 오직 산소만을 배출하는 친환경적인 측면에서 가까운 미래에 수소 생산을 위한 가장 유력한 방식으로 기대되고 있다. 그러나 전극에서의 느린 반응 때문에 이론치보다 훨씬 높은 전력을 소비하는 문제로 고효율 전극을 개발하는 것이 시급한 과제로 여겨져 왔으며, 특히 실제 수소를 생산하는 캐소드(cathode·전자가 방출되는 전극)보다 상대 전극인 산소를 발생하는 애노드(anode·산화반응이 진행되는 전극)에서의 반응 속도가 월등히 느려 애노드 전극에 대한 효율 개선이 절실히 요구되는 상황이다.



이러한 문제를 해결하기 위해 부산대 연구팀은 전기화학적 탈합금 방식을 이용해 3차원적으로 상호 연결된 나노다공성 전극구조를 제작했으며, 이러한 구조가 전하전달의 고속도로 역할을 수행해 전극 반응 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다. 또 기존에는 전극 설계에 있어서 중요하게 고려되지 않았던 전자전도도가 고전류 밀도 운전에서는 핵심 인자로 작용함을 세계 최초로 규명했으며, 이를 바탕으로 기존의 전극 설계 개념을 완전히 뒤바꿀 수 있는 획기적인 아이디어를 제시한 것으로 학계의 이목을 집중시키고 있다.

김용태 부산대 교수팀은 이번 연구를 주도해 대부분의 실험 데이터 확보 및 메커니즘 해석을 수행했으며, 아르곤국립연구소 연구팀은 방사광 가속기 및 최첨단 in-situ(제자리실험) 기법을 활용해 데이터 분석에 참여했다. 김 교수는 “관련기술은 국내 수소 전문기업인 엘켐텍에 이전돼 현재 양산을 준비 중이며, 수전해 뿐만 아니라 수소 연료전지 등 인접 분야에도 직접 적용이 가능하다”고 밝혀 기술 상용화 및 적용분야 확대에 대한 기대감을 전했다.

/부산=조원진기자 [e-mail]