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그린수소 생산비용 획기적으로 낮춘다

등록일 : 23-09-11
수소·연료전지연구센터 유성종 박사팀
조회수 : 3394

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230908_[KIST 보도자료] 그린수소 생산비용 획기적으로 낮춘다_업로드용.hwp

- 수전해 과정에서 부식 문제로 외면받았던 탄소의 활용 방법 제안

- 탄소 지지체와 저렴한 촉매 사용하면 우수한 수전해 성능 및 내구성 확보 가능

국제에너지기구인 IEA에 따르면 2050년 전 세계 수소 수요는 5억 3천만 톤으로 2020년 대비 약 6배 증가할 것으로 예상된다. 현재 가장 일반적인 수소 생산 방식은 천연가스와 수증기를 반응시키는 것으로, 생산 과정에서 이산화탄소를 발생 시키기 때문에 그레이 수소라 부르며 전체 수소 생산량의 약 80%를 차지한다. 이와 대비되는 그린 수소는 전기에너지로 물을 분해해 생산하기 때문에 이산화탄소 배출이 없다. 문제는 이리듐 산화물 등과 같은 값비싼 귀금속 촉매이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 탄소 지지체를 도입해 우수한 성능 및 내구성을 갖는 음이온 교환막 수전해 장치를 구현함으로써 그린 수소 생산 단가를 대폭 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. 탄소 지지체는 높은 전기 전도도와 표면적을 갖고 있어서 다양한 촉매의 지지체로 활용됐으나, 수전해에 필요한 높은 전압과 물이 많은 환경에서는 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다.

연구팀은 이리듐보다 저렴한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에서 합성해 음이온 교환막 수전해의 산소 발생 반응 촉매를 개발했다. 음이온 교환막 수전해에서 탄소의 부식을 최소화하기 위해 소수성 탄소 지지체와 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 촉매가 면대면으로 접합하고 있는 층상 구조를 고안한 결과, 탄소의 부식을 일으키는 물과의 상호작용이 줄어들어 부식 과정에서 발생하는 이산화탄소가 절반 이하로 적게 검출됨을 확인했다.

성능평가 결과, 이번에 개발한 탄소 지지체 기반의 수전해 촉매의 전류밀도가 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 10.29A/cm-2를 나타내 상용 촉매인 이리듐 산화물 촉매의 전류밀도 9.38A/cm-2보다 크다는 사실을 확인했으며 약 550시간의 장기 내구성을 동시에 확보했다. 또한, 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체의 소수성이 수전해 장치의 성능을 결정하는 하나의 주된 요인임을 처음으로 규명했다.

KIST 유성종 박사는 “이번 연구 성과는 기존에 부식 문제로 사용이 제한적이었던 탄소 지지체의 수전해 장치 적용 가능성을 확인한 것으로, 그동안 촉매개발에 집중됐던 연구를 다양한 지지체로 확장한다면 수전해 기술이 한 단계 성장할 수 있을 것으로 기대된다”라며, “그린수소 생산을 포함한 다양한 친환경에너지 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948, 2021M3H4A3A02086681), 한국에너지기술평가원(원장 권기영) 신재생에너지핵심기술개발사업(20203020030010) 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 환경 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%)에 6월 12일 온라인 게재됐다.

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[그림 1] 소수성을 띄는 결정성 탄소 위에 담지된 니켈-철-코발트 층상 이중산화물 이미지와 결정성 카본의 이미지

수전해 전극은 왼쪽 위 그림과 같이 막, 촉매층, 기체 확산층으로 구성된다. 막을 통해 OH- 이온이 공급되며 기체 확산층을 통해 수전해 결과 만들어진 산소 기체가 빠져 나간다. 촉매와 반응물이 접촉할 수 있는 면적이 넓고, 반응 생성물이 빠르게 제거될 수 있도록 촉매층을 형성시키는 것이 중요하다. 본 연구는 물과 상호작용이 적은 소수성 탄소를 도입해, 촉매 주변 물의 흐름을 빠르게 만들어주었다. 이 결과 반응물 공급 및 생성물 제거가 효율적으로 이뤄졌으며, 탄소와 물이 만나 부식되는 문제 역시 해결되었다.

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[그림 2] 니켈-철-코발트 층상 이중산화물 탄소 담지제 시간별 투과전자 현미경 사진, EDS 원소 맵핑 이미지

그림 (좌상)에서는 탄소 지지체가 있을 때 얇은 촉매가 합성되며, 탄소 지지체가 없는 경우 두껍고 뭉친 형태의 촉매가 합성됨을 나타낸다. 그림 (좌우)는 반응 초반 철 클러스터가 초기에 형성되고, 그 위에서 얇은 층상 이중산화물 촉매가 성장해나가는 모습을 보여준다. 탄소와 면대면 접합을 하는 매우 얇은 형태의 촉매가 합성되었음을 투과전자현미경 이미지, EELS 원소 맵핑 이미지 및 각도를 틀어가며 얻은 이미지를 통해 면 구조를 확실하게 확인할 수 있다.

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[그림 3] 니켈-철-코발트 층상 이중산화물의 전기화학적 활성 평가 및 단위전지 테스트 결과

실제 수전해 성능을 평가한 결과로, 전압에 따라 얻어지는 전류 밀도 값이 클수록 성능이 좋다고 본다. 소수성 탄소에 지지된 촉매의 성능이 상용 이리듐 산화물 촉매 (9.38 A cm-2@2.0V) 및 친수성 탄소 지지촉매 (6.91 A cm-2)와 비교해 우수한 결과 (10.29 A cm-2)를 나타내었다. 또한, 약 550 시간의 우수한 장기 내구성을 나타내었다. 이는 1.8V에서 질량비출력 및 내구성 측면에서 기존 발표된 수전해 촉매들보다 우수한 결과라는 것을 확인할 수 있었다.

○ 논문명: Realizing the Potential of Hydrophobic Crystalline Carbon as a Support for Oxygen Evolution Electrocatalysts

○ 학술지: Energy & Environmental Science

○ 게재일: 2023.06.12.

○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00987d

○ 논문저자

- 김명근 박사후연구원(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 이태경 박사과정생 (제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 이응준 박사후연구원(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)