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수소 에너지는 연소 후에도 공해물질을 배출하지 않아 화석연료를 대체할 친환경 연료로 각광받고 있다. 수소 생산 방법 중에 물 분해 방식은 온실가스를 배출하지 않은 친환경적인 방법이다. 그러나 물을 전기 분해하기 위한 높은 전압이 필요하여 낮은 수소 생산 효율을 지닌다는 한계점이 있었다.
수소 생산 효율을 높이기 위해 촉매의 표면적을 넓히려는 많은 노력이 있어왔는데, 특히 물 분해 전극에 다공성 구조를 도입하는 것이 하나의 방안으로 주목받고 있다. 그 중 면섬유는 표면적이 매우 넓으며, 가볍고 유연해 가공하기가 쉽기 때문에 물 분해 전극에 적용할 경우 효율을 증가시킬 수 있다. 기존 연구에서는 무전해 도금법(화학적 환원) 기반으로 한 촉매 물질을 도입하는 방법이 시도되었으나, 면섬유가 지닌 복잡한 구조를 촉매 층으로 완벽하게 코팅하지 못하여 전기화학 촉매 반응에서 활성 면적 감소로 인해 수소 생산 효율을 높이는 데 가장 큰 한계점으로 남아있었다.
연구팀은 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 개발해 면섬유를 이루고 있는 최소 단위인 섬유 가닥까지 금속 나노입자를 균일하게 코팅하여 금속 면섬유로 전환시킨 후, 추가적인 전기도금법으로 금속 면섬유 표면에 완벽하게 촉매 층을 형성시키는 기술 개발에 성공했다.
이 기술을 통해 비교적 값이 싼 니켈과 니켈철 화합물을 금속 면섬유에 균일하게 코팅하여 면섬유가 지닌 미세한 크기의 기공을 수소 생산에 최대로 활용할 수 있도록 했다. 이렇게 제작된 면섬유 기반 물 분해 전극은 기존 대비 수소 생성 효율을 6배 이상 향상(본 연구에서의 과전압 : 10 mA/cm2에서 0.012V)시켰으며, 셀 전압을 10% 가량(본 연구에서의 셀 전압 :10 mA/cm2에서 1.39V) 낮췄다. 또한, 개발된 물 분해 전극은 높은 전류밀도(1 A/cm2)의 극한 환경에서도 최소 100시간 성능을 유지하는 등 높은 안정성을 입증했다.
조진한 고려대 교수는 "이번에 개발된 물 분해 전극은 면섬유의 내부 기공을 최대한 활용하여 촉매 성능을 극대화한 최초의 사례이며, 이를 통해 만들어진 전극은 세계 최고의 수소 에너지 생산 성능을 보고하고 있다. 또한, 극한 조건에서도 수소 생산 효율과 안정성이 우수해 기술 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
연구성과는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)의 6월 12일자 온라인판에 게재됐다.
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▲ 면섬유 물 분해 전극의 구조금속 나노입자를 단분자 유기물 분자와 교대 반복 적층시킴으로 면섬유 위에 균일하게 코팅한다. 이를 통해 전기도금에 필요한 최소한의 전기전도성을 섬유에 부여한다. 이후 추가적인 니켈과 니켈철 전기도금을 통해 수소 및 산소발생전극을 제작한다. |
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▲ 면섬유 물 분해 전극의 수소 및 산소 생성 모식도전극제작법을 통해 만들어진 전극은 면섬유의 최소 단위인 피브릴 가닥에 금속나노입자와 그 위에 니켈 및 니켈철의 촉매 층이 균일하게 생성되며, KOH 전해질에서 전압을 가할 경우 각각 수소와 산소 기체를 생성한다. (이미지=고려대) |
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