- 전극의 촉매 무게 중 귀금속 비율은 1%에 불과, 수소 발생 효율은 기존 대비 1.3배 향상

- 전극 지지체로 내식성 우수한 탄소섬유 활용, 최적의 산 처리 공정으로 반응성 크게 올려

- 세계 최초로 고전류 상황에서 800시간 연속 운전 성공해 내구성과 신뢰성 입증

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연) SCI 융합연구단 한지형 박사 연구팀이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반 고성능 전극을 개발했다. 개발된 전극은 탄소섬유 지지체를 적용한 해수 수전해용 전극 중 세계 최초로 고전류 조건에서 800시간 이상의 장기 연속 운전에 성공해 상용화 가능성을 나타냈다.

□ 수전해 기술은 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 주로 담수를 사용하고 있지만 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목받고 있다.

□ 해수 수전해 장치의 성능과 수명은 전극을 구성하는 촉매와 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 백금, 루테늄과 같은 귀금속 기반 촉매가 활용되고 있지만, 비용 문제로 인해 최근에는 비귀금속계 촉매나 최소한의 귀금속을 사용하는 방식이 연구되고 있다.

□ 지지체에도 문제가 있다. 금속 재질의 지지체는 염소이온이 일으키는 부식에 취약해 수명의 한계가 명확했다. 대체재로 전기전도성과 내식성, 유연성, 가격 경쟁력이 우수한 탄소섬유가 대두됐다. 하지만 기존 탄소섬유 기반 촉매는 산업계에서 요구하는 고전류(500 mA/cm² 이상)와 100시간 이상 장기 운전 시, 성능 저하와 구조 손상 문제가 발생해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

■ 연구진은 최적의 산 처리 공정을 통해 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 기반 전극을 개발하고 기존 전극의 단점을 극복했다. 개발된 전극은 전극에 가해지는 과전압을 25% 낮춰 기존 전극 대비 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 나타냈다.

□ 연구진은 전극의 반응성을 올리기 위해 탄소섬유의 산 처리에 집중했다. 산 처리는 100°C의 고농도 질산 용액에 담가 한 시간 동안 진행되는데, 과정 중 수분 증발로 인해 질산의 농도가 변화되는 것이 문제였다. 이에 연구진은 산 처리 전용 용기를 새로이 설계해 농도 변화를 방지하고 최적의 탄소섬유 지지체 표면 처리에 성공했다.

□ 산 처리된 탄소섬유 지지체는 높은 친수성을 가져 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도한다. 특히, 귀금속인 루테늄은 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학적 성능을 낼 수 있게 했다.

□ 이를 통해 완성된 코발트-몰리브덴 촉매는 촉매 무게 중 단 1% 수준의 루테늄을 사용했음에도 기존 코발트-몰리브덴 촉매 대비 과전압을 약 25% 낮추는 데 성공했다. 과도하게 투입되는 전압을 줄임으로써 동일한 전류 밀도에서 약 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 이끈 것이다.

□ 촉매를 포함된 전극은 제곱센티미터당 500 밀리암페어(500mA/cm²)의 고전류 조건에서도 800시간 이상 연속 운전 시 초기 성능을 유지했다. 또 운전 후 촉매의 금속 성분을 분석한 결과, 루테늄과 코발트 등의 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 내에 유지돼 높은 내식성과 구조적 안정성을 나타냈다. 아울러 25제곱센티미터(cm²) 규모의 대면적 전극 합성에도 성공해 실용화를 위한 확장 가능성을 보였다.

■ 에너지연 한지형 박사는 “이번 기술은 탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례”라며, “향후 1,000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반의 모듈화·스택화 연구를 통해 실증 수준으로 기술을 확장할 계획”이라고 덧붙였다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회(NST)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 Applied Surface Science(Elsevier) 2025년 5월 온라인판에 게재됐다.