탄소 배출 없는 ‘그린 수소’, 생산 비용 크게 줄였다

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한국과학기술연구원

(왼쪽부터) 김명근 KIST 박사후연구원, 이태경 박사과정생, 이응준 박사후연구원, 유성종 책임연구원. KIST 제공.

국내 연구팀이 ‘그린 수소’의 생산 단가를 대폭 줄이는 데 성공했다. 그린 수소는 이산화탄소가 배출되지 않는 방식으로 생산한 수소다.

전체 수소 생산량의 80%는 ‘그레이 수소’로, 천연가스와 수증기를 반응시켜 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 발생한다. 반면, 전기에너지로 물을 분해해 생산하는 그린 수소는 이산화탄소 배출이 없어 탄소중립의 핵심 기술 중 하나로 꼽힌다. 문제는 그린 수소 생산 시 쓰이는 촉매인 이리듐 산화물 등이 값비싼 귀금속이라는 점이다.

국내 연구진이 그린수소 생산 비용을 크게 절감하는 방법을 찾았다. 한국과학기술연구원(KIST)은 유성종 수소·연료전지연구센터 책임연구원 연구팀이 탄소 지지체를 도입해 우수한 성능과 내구성을 갖는 음이온 교환막 수전해 장치를 구현하고 그린수소 생산 단가를 크게 줄였다고 10일 밝혔다.

탄소지지체는 높은 전기전도도와 표면적을 갖고 있어 다양한 촉매의 지지체로 활용된다. 하지만 수전해에 필요한 높은 전압과 물이 많은 환경에서 쉽게 이산화탄소로 산화해 사용이 제한적이었다. 연구팀은 이산화탄소 산화가 덜 일어나는 방식을 찾기 위해 이리듐보다 가격 면에서도 유리한 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 활용했다.

니켈-철-코발트 층상 이중수화물 물질을 소수성 탄소 담지체 위에서 합성해 음이온 교환막 수전해의 산소 발생 반응 촉매를 개발했다. 소수성 탄소지지체와 니켈-철-코발트 층상 이중수화물 촉매가 면대면으로 접합하고 있는 층상구조를 고안한 결과, 탄소의 부식을 일으키는 물과의 상호작용이 줄어들어 이산화탄소 검출이 절반 이하로 줄어들었다.

성능평가 결과 이번에 개발한 탄소지지체 기반의 수전해 촉매의 전류밀도는 수전해 작동 전압인 2V 영역에서 10.29A/cm-2(-제곱센티미터당 암페어)를 나타냈다. 상용촉매인 이리듐 산화물 촉매의 전류밀도 9.38A/cm-2보다 크며, 약 550시간의 장기 내구성을 보였다. 또한, 탄소의 소수성 변화에 따라 성능이 달라짐을 확인해 지지체의 소수성이 수전해 장치의 성능을 결정하는 주된 요인 중 하나라는 점도 규명됐다.

유 책임연구원은 “이번 연구성과는 기존에 부식 문제로 사용이 제한적이었던 탄소지지체의 수전해 장치 적용 가능성을 확인한 것으로, 촉매개발에 집중됐던 그동안의 연구를 다양한 지지체로 확장한다면 수전해 기술이 한 단계 성장할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 & 환경과학’에 6월 12일 온라인 게재됐다.