수소경제 앞당길 수전해 전극 개발

수소경제의 핵심 기술로 주목받고 있는 수전해 기술이 새로운 전극 개발을 통해 한 단계 발전했다. 한국연구재단은 권오중 교수(인천대), 김명준 교수(성균관대), 성영은 교수(서울대)로 구성된 공동 연구팀이 고전류 영역에서 에너지 효율을 높일 수 있는 고분자 전해질 수전해용 일체형 전극과 단일 열분해 공정을 개발했다고 밝혔다.

수전해 기술은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 과정으로, 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는 방법이다. 이 기술은 재생 에너지(태양광, 풍력, 지열 등)와 연료전지 기술을 연결하는 중요한 역할을 한다.

수전해 과정에서 수소 생성 반응과 함께 일어나는 산소 발생 반응은 반응물인 물과 생성물인 산소가 서로 다른 상에서 동시에 상반된 방향으로 이동해야 원활하게 유지된다. 그러나 이 두 상은 서로의 흐름을 방해하며, 이러한 현상은 고전류 영역에서 더욱 두드러진다. 따라서 반응 영역을 전해질막과 다공성 전달층 경계로 한정짓는 기존 전극 구조 대신, 촉매를 다공성 전달층 전체에 고르게 분포시키는 일체형 전극이 각광받고 있다.

일체형 전극은 다공성 전달층 위에 촉매를 고르게 분포시키는 장점을 가지고 있지만, 그 표면적이 제한적이라는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 고전류 영역에서의 효율성이 입증된 바 있다. 기존의 전해도금 방식은 공정이 복잡하고 다양한 다공성 전공과의 호환성이 떨어지며 대면적 적용에 어려움이 있다.

연구팀은 기존 전극 구조 대신 고전류에서 효율적인 일체형 전극 구조를 활용해 단점을 보완하는 방안을 모색했다. 그 결과, 다공성 전달층과 촉매층을 결합한 일체형 전극 및 단일 열분해 공정을 개발했다.

실험을 통해 적은 양의 귀금속 촉매를 사용하면서도 높은 활성도를 유지했으며, 고전류 영역에서도 물질 전달이 원활하다는 사실을 입증했다. 이번에 개발된 일체형 전극은 액체를 반응물로 사용하고 기체 발생을 동반하는 전기화학 시스템이나 기체를 반응물로 사용하고 액체 발생을 수반하는 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.

이 연구는 수소경제 활성화를 위한 기술적 기반을 제공하며, 지속 가능한 에너지 전환에 기여할 것으로 전망된다.