탄소중립의 필요성이 떠오으로 있죠. 그리고, 수소를 에너지 캐리어로 활용하는 수소 에너지 사회로의 변화가 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 이를 위해 수소를 생산하는 다양한 기술들이 제시되고 있는데요. 수소 생산시 이산화탄소 배출이 전혀 없는 수소를 ‘그린수소 기술’이라고 합니다. 그 중, 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 기술이 변동성이 높은 재생에너지 기반 전력 시스템에 우수한 안정성을 가졌습니다. 그래서, 앞으로 급증할 그린 수소의 수요를 책임질 차세대 시스템으로 주목받고 있습니다.
KAIST 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀은 얇은 고분자 막을 분리막으로 사용하는 고분자전해질 수전해 시스템에서 양극 귀금속 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 악화 현상을 규명해 그린 수소 생산기술 저가화에 대한 실마리를 찾았다고 22일 밝혔는데요.
양이온 전도성 고분자전해질 수전해는 물을 전기분해하여 수소 기체를 발생시키는 친환경 수소생산 장치로 기존의 알칼리성 수전해 대비 높은 성능과 높은 수소생산 순도를 가진다는 강점이 있습니다.
이 수전해 시스템은 산성 환경에서 작동하며 효율적인 물의 분해를 위해 귀금속 기반의 촉매를 사용합니다. 하지만 백금, 이리듐 등의 귀금속 소재들은 수급 부족과 높은 가격 문제를 수반하죠. 특히, 이리듐 기반 촉매는 양극 반응에 가장 적합하지만 매장량이 적어 현재보다 십 분의 일 수준의 촉매가 요구되는 고분자전해질 수전해 장치를 개발할 필요가 있습니다. 하지만 이리듐 촉매 함량을 줄일 때 발생하는 급격한 성능 저하 현상이 고분자전해질 수전해 저가화의 발목을 잡는 실정입니다. 이러한 문제해결을 위한 대부분의 연구는 이리듐을 대체하는 새로운 촉매의 발굴에 주력하고 있는데요.
수전해 시스템에 사용하는 전극은 이리듐 촉매와 바인더로 구성된 촉매층과 티타늄 확산층 결합된 구조를 가지고 있습니다. 김희탁 교수 연구팀은 고분자전해질 수전해의 양극 내 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능 저하 문제가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더의 함량이 증가하기 때문이라는 새로운 시각을 제시하고 이를 규명했습니다.
이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉하면, 티타늄 표면에 존재하는 자연 산화막의 전자띠가 굽는 띠굽음(band bending) 현상이 일어납니다. 연구팀의 결과에 따르면 낮은 이리듐 함량의 전극에서는 이 띠굽음 현상이 바인더에 의해 증폭되는데요. 전자띠가 굽을수록 전자전달이 더욱 어려워지므로 성능 저하가 발생하게 되는 것이죠.
연구팀은 띠굽음 현상이 완화된 계면을 설계하는 경우, 이리듐 함량을 1/10 수준으로 저감시켜도 동일한 수전해 성능을 얻을 수 있음을 확인했습니다. 이는 전극계면의 조성을 변화시킴으로써 비싼 귀금속 촉매 사용량을 획기적으로 저감 가능하다는 것입니다.
김희탁 교수는 "이번 연구결과는 그동안 베일에 싸여있던 이리듐 저감형 수전해 전극의 성능 문제를 짚어 그 이유를 규명하고 해결 전략을 제공했다는 점에서 중요한 의미가 있다ˮ라고 말하면서, "이를 바탕으로 효율과 가격을 동시에 잡을 수 있는 그린 수소 생산 시스템의 개발에 응용되기를 기대한다ˮ고 말했습니다.
연구 결과는 국제학술지 `ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 5월 12일 자 온라인판 표지논문으로 게재됐습니다.
논문명: Contact Problems of IrOx Anodes in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis
#용어 설명
1. 그린수소
그린수소는 탄소 중립적인 기술을 이용하여 생산된 수소를 일컬으며, 재생에너지를 이용한 수전해가 대표적인 그린수소 생산기술이다.
2. 수전해
물을 전기분해하여 산소기체와 수소기체를 생성하는 기술로 양극과 음극에서 각각 산소발생 산화반응과 수소발생 환원반응이 발생한다.
3. 고분자전해질
이온전도성을 지닌 고분자를 일컬으며, 분리막 및 전극 소재로 도입하여 수전해 내 이온의 전달 매개체로 작용한다.
4. 확산층
수전해 시스템에서 촉매로 물을 전달하고 생성된 기체를 촉매로부터 다공성 층으로 주로 티타듐을 이용한다.
5. 띠굽음 현상
반도체의 전자 띠가 계면부에서 굽는 현상을 의미한다. 반도체 계면의 특성에 의해 띠굽음 현상이 결정되며, 이에 따라 전자 전달 특성이 좌우된다.
6. 쇼트키 접합
반도체와 금속의 계면에서 발생하는 접합 현상의 일종으로 전자 혹은 양공의 이동이 저해되는 전자 에너지 장벽이 형성된 경우를 의미한다. 금속과 반도체의 일함수에 의해 결정된다.
7. 일함수
물질의 표면에서 전자를 물질 밖으로 빼내는 데 필요한 최소한의 에너지를 의미한다.
