한국공학대학교 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 차세대 그린 수소 생산 장치인 음이온 교환막 수전해 (Anion-exchange membrane water electrolysis, AEMWE) 용 고성능 니켈-철 기반의 산소 발생 전극을 개발했다고 15일 밝혔다.

AEMWE는 물을 전기분해하여 이산화탄소 배출 없이 청정한 그린 수소를 생산하는 장치이다. 비싼 귀금속 촉매를 이용하는 앙이온 교환막 수전해와 달리, AEMWE는 값싸고 풍부한 니켈-철과 같은 비귀금속 촉매를 사용할 수 있기 때문에 그린 수소 생산 단가를 낮출 수 있어, 차세대 그린수소 생산 장치로 꼽히고 있다. 하지만, AEMWE 장치는 다른 장치들에 비해 기술적 성숙도가 낮아 현재까지는 성능이 낮아 성능을 개선하고자 하는 연구들이 진행 중에 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전극 내 니켈-철 촉매의 상에 따른 산소 발생 반응 활성 및 AEMWE 성능 변화를 관찰하였다. 이전 연구에서 개발한 일체형 전극을 기반으로 다양한 열처리 조건을 통해 니켈-철 촉매의 상을 변화시켜 최적의 니켈-철 촉매층을 개발하였다.

실험 결과, AEMWE 단위전지 성능이 2.05 V에서 8 A/cm2로, 높은 수준을 기록했으며, 다른 참고문헌들과도 비교했을 때, 높은 수준의 성능을 확인하였다. 또한, 5-layer 스택 평가에서도 높은 성능을 유지하였고, 내구성 평가에서도 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다.

박지은 교수는“이번 성과로 친환경 그린 수소를 보다 경제적으로 생산할 수 있는 길이 열렸다”며, “향후 그린 수소 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국과학기술연구원 박성빈 박사(제1저자), 최호성 박사과정생(제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생(공저자), 이대현 학사과정생(공저자)이 공동으로 수행했다. 또한, 본 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 “알칼라인 수전해 기술개발”의 지원을 받아 수행되었다.

연구 결과는"Unified anodes with different nickel–iron-based phases for durable AEM electrolyzers achieving high performance of 8000 mA cm−2 at 2.05 V"이라는 제목으로, 화학공학 분야 권위 있는 국제 학술지 Journal of Materials Chemistry A (IF=9.5)에 지난 달 22일자로 온라인 게재됐다.

[ 경기신문 = 김원규 기자 ]