- 양극성 막(격막)과 해수(전해액)의 조합: 해수 산성화 발견

- 분산형 무기침전물 완전 억제 및 전극 계면에서의 무기침전 성장 최소화

- 해수담수화/정제 과정에 대한 인프라 부담 없이 대용량 해양그린수소 생산 기대

□ 세계 주요국들이 온실가스 배출이 없는 수소경제 육성에 속도를 내기 위해 ‘수전해’ 기술개발과 설비 확충에 총력을 기울이고 있다. 수전해 설비는 보통 초고순도 정제수 또는 불순물이 없는 20-30% 가성칼륨(KOH) 용액을 전해액으로 사용한다. 이론적으로 수소 1톤을 생산하기 위해서는 9톤의 정제수가, 1톤의 정제수를 얻기 위해서는 2톤의 물이 필요하다. 즉 1톤의 수소 생산에 약 18톤 정도의 물이 필요한 셈이다.

□ 반면, 무한한 수자원인 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해*는 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화할 수 있는 기술로 각광받고 있다.

* 직접해수전해(direct seawater electrolysis): 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 수소를 생산하는 전기화학 기술. 정제/담수화과정에 대한 투자비용(CAPEX)과 운영비용(OPEX)을 크게 감축할 수 있으며 알칼라인 수전해에서 필요한 순수 염과 가성칼륨을 제조하는 과정에서의 탄소발자국을 최소화할 수 있어 환경친화적이다.

□ 그런데 환원전극에서 물 환원반응을 통해 수소가 생산되고 해수 염기성화가 진행되면서 해수에 포함된 마그네슘 양이온이 반응해 무기침전물이 형성된다. 무기침전물은 해수전해의 전류밀도를 크게 감소시키고 흐름 기반 스택 개발에 걸림돌이 되는 만큼 이를 해결할 수 있는 방법이 필요했다.

■ 이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 해양융복합연구팀 한지형 박사 연구팀이 바닷물에서 바로 수소를 생산할 때, 해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기침전물의 성장 속도를 감소시켜 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 확보했다고 밝혔다.

◯ 직접해수전해의 국내외 연구는 촉매 개발에만 집중되어 있다. 산소발생반응이 선택적으로 일어나고 고전류밀도를 견디는 고성능 촉매가 개발되고 있으나 단위 셀에서의 기초연구에만 머물고 있다. 특히, 실제 해수를 사용할 경우 발생하는 환원전극에서의 무기침전문제를 해결하는 방법을 제시한 연구는 전무하다.

■ 한지형 박사 연구팀은 물 해리반응(Water dissociation:　H2O → H+ + OH-)이 일어나는 양극성 막*을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 무기 침전을 제어했다.

* 양극성 막(bipolar membrane, BPM): 양이온교환층(cation exchange layer, CEL)과 음이온교환층(anion exchange layer, AEL)으로 이루어진 이중층 구조 사이에 물 분해를 돕는 촉매가 포함되어 있다. 양 단에 전압이 걸리면 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)로 분리된다.

□ 물 환원반응으로 수소(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성되고, 수산화이온은 해수에 포함된 마그네슘 양이온(Mg2+)과 결합해 무기침전물이 전극 표면에 형성된다. 이 무기침전반응이 수산화이온을 전극 계면에 잡아두는 역할을 해 해수의 pH 상승을 억제한다.

□ 이와 동시에 양극성 막에서는 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)으로 분리되고, 환원용액에 양성자를 공급해 해수를 산성화시키는 역할을 한다.

□ 결과적으로 물 환원반응, 무기침전반응, 그리고 물 해리반응의 상호작용을 통해서 해수는 산성화된다. 해수 산성화는 분산형 무기침전물 형성을 완전히 억제하고 환원전극 계면에 형성된 무기침전물의 두께를 최소화하며 환원전극전압을 낮추는 역할을 한다.

■ 직접해수전해는 해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산을 가능하게 하여 수소경제 활성화에 기여할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 무기침전문제를 해결할 수 있는 방법을 제시함으로써 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 더 높아졌으며, 부유식 해상 풍력 플랫폼과의 연계 시스템을 통한 해양그린수소 생산을 기대할 수 있다.

■ 해양융복합연구팀 한지형 박사는 “양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견하였다.”며, “이번 연구결과를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보하였고, 대용량 스택 개발의 가능성을 크게 높였다.”고 말했다.

□ 이번 연구 성과는 한국에너지기술연구원 기본사업과 과학기술정보통신부 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학공학 분야 권위지인 “케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)”에 게재됐다.

□ 연구팀은 향후 해수 산성화 메커니즘 분석, 양극성막 국산화, 비귀금속 전극촉매 개발 연구를 계획하고 있으며, 직접해수전해 스택개발을 최종 목표로 연구를 진행하고 있다.