- 재생에너지의 변동성에 대응할 수 있는 니켈-철 이원계 수산화물 고내구성 전극 개발

- 수전해 동적 운전 환경에서의 성능 및 내구성과 스케일-업 가능성 함께 검증

- Advanced Energy Materials(IF 27.8) 7월 표지 논문 게재

[사진자료] 연구진이 재생에너지 연계 그린수소 생산을 위해 개발한 고내구성 Ni-Fe LDH 전극을 들고 있다

□ 이산화탄소 배출이 없는 궁극의 청정에너지 ‘그린수소*’를 더욱 안정적으로 생산할 수 있게 됐다. 들쭉날쭉한 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 전력에도 성능저하가 없는 수전해 전극이 개발됐기 때문이다.

* 그린수소: 태양광, 풍력 등과 같은 재생에너지를 이용해 물을 전기분해(수전해)하여 생산한 수소로, 온실가스가 배출되지 않음

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근) 수소연구단 김민중 박사 연구진이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극을 개발했다.

□ 수소는 국가 12대 전략기술* 중 하나로, 수전해는 수소 분야의 핵심기술이다. 2050 탄소중립 달성을 위해 국내 그린수소 소요량이 27.9백만 톤으로 급격히 증가할 것으로 예상되는 가운데 재생에너지와 연계해 변동성에도 잘 견디는 수전해 장치를 개발하는 것이 시급하다.

* 정부가 경제 안보와 전략적 성장에 중요한 12개 분야 전략기술을 선정. 수소, 반도체·디스플레이, 양자, 차세대통신, 우주항공·해양, 이차전지, 인공지능, 차세대원자력, 첨단바이오, 첨단로봇, 첨단모빌리티, 사이버보안

□ 수전해는 물을 분해해 수소발생과 산소발생 반응이 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응속도가 반응이 느린 산소발생 반응에 맞춰 진행되는 것이다. 더불어 재생에너지의 변동성으로 인해 수전해 장치에 급격한 전압 상승이 발생해 전극이 쉽게 손상되고 전체의 성능이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 높은 활성과 내구성을 가진 수전해 전극 개발이 필요하다.

■ 이를 극복하기 위해 연구진은 산소발생반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물* 전극의 철 이온 함량의 조절만으로 재생에너지의 급격한 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다.

* 니켈-철 이중층 수산화물(Ni-Fe layered double hydroxide): 니켈2가 이온(Ni2+)으로 구성된 니켈 수산화물층에 철3가 이온(Fe3+)이 도핑되어 양전하 특성을 띄게 된 수산화물 층 사이에, 전하 중성을 위한 음이온이삽입되어 이중층 구조를 이루고 있는 알칼라인 수전해 전극 소재

□ 연구진은 계산과학을 통해 이중층 구조를 구성하는 철 이온의 함량이 40% 이상일 경우 구조적 안정성이 극대화됨을 확인했다. 하지만 이론적인 최대 함량은 25% 수준으로, 일반적인 촉매 소재 합성을 통해서는 40% 이상 함량의 구조를 구현하기는 어렵다.

□ 연구진은 40% 이상의 고농도 철 이온을 포함하는 니켈-철 전극을 만들기 위해 철 소재의 부식 방법을 사용했다. 철 기재를 니켈 2가 이온의 용액에 담가 산소를 공급하면 부식반응에 의해 철2가, 3가 이온이 방출되고 동시에 수산화 이온이 생성된다. 이렇게 생성된 이온들이 만나 니켈-철 이중층 수산화물이 성장하는 과정을 반복하면서 철 이온 농도를 높게 유지할 수 있는 최적 조건을 찾아내 결국 46%의 고농도 철 이온을 가진 전극 개발에 성공했다.

■ 연구진이 개발한 전극은 12시간 동안의 급격한 시작-정지 반복운전에도 성능저하 없이 안정적인 구동이 가능해 20% 이상의 성능저하를 보였던 일반적인 니켈-철 전극 대비 매우 우수한 동적 운전 내구성을 확보했다. 또한, 높은 산소발생반응 성능을 나타내 0.4 A/cm2의 전류밀도에서 87.1%(HHV)의 효율로 수소 생산이 가능하고, 2,500cm2 면적의 스케일-업에도 성공해 상용 장치에서의 사용 가능성도 높였다.

■ 수소연구단 김민중 박사는 “선행연구로부터 지속된 연구와 계산과학의 활용을 통해 전극소재 구조를 설계하고 이를 구현할 수 있는 전극 제작 기술을 발굴한 것이 이번 연구의 가장 큰 의의”라며, “수전해 전극의 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하기 위한 핵심 기술 중 하나이기에 보다 많은 관심과 지원이 필요하다.”고 강조했다.

■ 이번 연구성과는 에너지ž재료분야 세계적 권위지인 ‘Advanced Energy Materials(IF 27.8)’의 표지논문(Inside Front Cover)으로 게재됐다. 또한 해당 기술은 수요기업으로 기술이전 되어 사업화를 위한 기술 협력을 진행 중이다.

□ 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 공공연구성과 활용촉진 R&D 사업의 지원을 통해 수행됐다.