경북대 박현웅 교수팀이 바닷물에서 고순도 그린수소를 생산할 수 있는 분리막 없는 해수전해 촉매 시스템을 개발했다.

수소는 다양한 화학산업의 주요 원료로 사용될 뿐만 아니라, 태웠을 때 이산화탄소를 배출하지 않는 특성으로 미래 에너지 저장 매체로 주목받고 있다. 물로부터 수소를 발생시키는 수전해는 가장 대표적인 수소 생산 기술이나, 낮은 효율과 내구성, 비싼 시스템이 해결해야 할 문제로 남아 있다. 이와 함께 최근 급격한 기후 변화로 담수 확보가 불안정해지면서 해수로부터 수소를 생산하는 해수전해가 대안 기술로 주목을 받고 있다.

그러나 해수에 포함된 고농도의 염화이온(소금 성분)은 양극에서의 산소 발생과 음극에서의 수소 발생 효율을 크게 낮추고, 해수전해 시스템 내구성에 악영향을 미친다. 이를 해결하기 위해 기존에는 고가의 분리막을 양극과 음극 사이에 배치해 염화이온 이동을 차단하고, 해수를 인위적으로 알칼리화시켜 염화이온 반응 참여를 억제하는 방식을 채택해 왔다.

박현웅 교수팀은 염화이온만을 선택적으로 산화시키는 이산화티타늄-백금-루테늄 삼중 양극촉매와 산화된 염화이온에 영향을 받지 않고 수소가스만을 발생시키는 산화망간 음극촉매를 개발했다. 개발한 양극촉매-음극촉매 해수전해 장치는 분리막이 없는 상태에서도 실제 해수를 수전해 플랜트에 바로 적용할 수 있는 1A/cm2 수준의 전류에서 100% 순도의 수소가스를 발생시켰고, 500시간 이상 안정한 전해 성능을 보였다. 해수 중 염화이온은 양극촉매에서 액체 상태의 차염소이온으로 생성되고, 음극촉매는 차염소이온과 반응하지 않고 오로지 수소가스만을 발생시키는 뛰어난 선택성을 가져 분리막이 없는 상태에서도 100% 순도의 수소 포집이 가능했다. 

박현웅 교수는 “양극촉매는 백금과 루테늄이 극미량 함유되어 기존에 주로 사용되는 이산화이리듐 촉매보다 성능과 가격면에서 월등히 우수하며, 산화망간 음극촉매도 가격이 저렴하고 제조가 용이하다.”라며, “이번에 개발한 해수전해 촉매 시스템은 산업용 수소 생산에 대한 새로운 아이디어를 제공해 해상 수소 생산과 운송 현실화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 

연구 결과는 촉매·환경 분야 저명 국제학술지인 ‘어플라이드 커탤리시스 비: 인바이러멘털(Applied Catalysis B: Environmental)’ 5월호에 게재됐다. 이번 연구 교신저자는 에너지공학부 박현웅 교수, 제1저자는 같은 학부 량난난 박사과정생이며, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 카타르 정부 연구기금의 지원을 받아 수행됐다.

논문제목 : PtRuTiOx 양극과 MnOx 음극쌍을 이용한 고순도 수소 발생용 분리막 없는 해수전해 촉매 시스템 (Membraneless unbuffered seawater electrolysis for pure hydrogen production using PtRuTiOx anode and MnOx cathode pairs)

배지우 다른기사 보기