[한국강사신문 장한별 시민기자] 전북대학교(총장 양오봉)는 세계적으로 심각한 기후위기 대응을 위한 청정에너지 기반 구축과 에너지 정책 전환에 대한 중요성이 높아지면서 온실가스를 전혀 배출하지 않고, 물을 전기분해 해서 수소를 생산하는 ‘그린수소 생산 기술’이 수소경제 사회로 전환하기 위한 핵심 필수 기술로 큰 주목을 받고 있다고 밝혔다.

그린수소 생산을 위해서는 신재생 에너지를 통해 생산된 전기를 이용해 물을 전기 분해하는 수전해 기술이 가장 핵심적인 기술이며, 이를 위해 적은 전기를 쓰면서 많은 수소를 생산할 수 있는 고효율의 수전해 장치 개발이 절실히 필요하다.

수전해 장치의 높은 효율을 위해 현재 백금(Pt)이나 루테늄/이리듐(Ru/Ir) 기반 촉매가 많이 사용되는데, 이는 값이 비싸고 매장량도 매우 적어 수전해 장치의 제작비용을 크게 증가시키고, 그린수소의 생산 단가를 높이는 주 원인이 된다.

또한 현재 사용되는 촉매들은 비교적 장시간 사용 시 성능저하가 급격히 일어난다는 단점을 지니고 있어, 저렴하면서 높은 내구성을 가지는 고효율 수전해 장치의 제작이 가능한 촉매 개발에 전 세계적으로 많은 연구자들이 관심을 집중하고 있다.

미래 그린수소 생산에 핵심 기술로 떠오르는 음이온 교환막 방식 수전해 장치의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 핵심 소재 기술이 전북대학교 나노융합공학과 이중희 교수, 김남훈 교수, 트란듀이탄 교수와 박석주 석사과정생(대학원 나노융합공학과)에 의해 개발되어 세계적으로 학계의 큰 주목을 받고 있다.

이 교수팀은 고가의 촉매 문제를 해결하기 위해 우수한 내부식성과 내산화성을 갖는 박리된 2차원 삼원계 전이금속 붕화물 소재인 엠벤(MBene) 결정구조 내에 극소량인 0.9% 백금 단원자 촉매를 흡착 및 도핑공정을 통해 복합화한 저비용의 고효율 촉매를 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지소재 분야의https://bestmore.net/click.php?m=lfmall&a=A100542334&l=0000 세계 최고 학술지인 『에너지 앤 인바이러먼트 사이언스(Energy & Environment Science』(IF: 32.5, JCR: 0.5%)의 최신호에 게재되었다.

이번에 개발된 나노 이종소재 촉매는 현재 산업체에서 널리 사용되고 있는 백금/탄소(Pt/C)촉매와 비교하면 제조비용을 약 20배 감소시킬 수 있어 수전해 장치 제조에 큰 비용절감 효과를 가져와 그린 수소산업의 발전을 가속시킬 수 있는 돌파구가 될 것으로 기대된다.

이번에 개발된 촉매는 수산화칼륨과 황산 용액에서 각각 10 mA/㎠의 전류밀도에 도달하는데 32 mV와 18 mV의 낮은 과전압(Overpotential: η)이 소요되었으며, 현재 산업사용되고 있는 백금 촉매(Pt/C) 보다도 우수한 수전해 효율을 보였다.

개발된 촉매를 적용한 음이온 교환막(Anion exchange membrane: AEM) 방식의 수전해 장치는 60℃의1몰 수산화 칼륨 용액상에서 0.5A/㎠와 1A/㎠의 전류밀도를 올리는데 1.85 V와 2 V의 낮은 전지전압을 필요로 하였으며, 이는 현재 상용화된 세계 최고수준의 음이온 교환막 수전해 장치보다 보다 우수한 수전해 장치 성능을 보여주었다.(독일의 Enapter의 경우, 전류밀도: 0.5 A/㎠, 전지전압: 1.95 V).

또한 제작된 음이온 교환막 수전해 장치는280시간의 장시간 구동 후에도 전혀 성능 저하가 일어나지 않는 매우 우수한 내구성을 보여, 높은 성능과 내구성을 요구하는 음이온 교환막 수전해 장치 개발을 위한 새로운 초고효율 수전해 촉매로 연관 산업계와 학계에서 큰 관심을 받고 있다.

개발된 촉매기술은 이 교수팀의 핵심 연구원들이 창업한 벤처 기업인 ‘(주)아헤스(AHES, Advanced Hydrogen Energy Solution)’에서 실제 수전해 장치에 적용하기 위한 실용화 연구를 지속적으로 수행해 저가의 그린수소의 대량 생산과정에 적용할 예정이다.

이중희 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매는 저비용 고효율로 그린수소를 생산할 수 있는 신개념의 매우 획기적인 수전여서, 이를 활용하면 실제 수전해 장치 실용화측면에서 직면한 기술적 그리고 경제적 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시하여 미래 수소경제 사회를 앞당기는데 크게 기여할 것” 이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신 선도연구센터(RLRC) 사업의 지원을 받아 수행되었다.