서울대 공대 화학생물공학부 윤제용·류재윤 교수팀이 건국대 이장용 교수팀과 함께 귀금속 촉매 없이도 고효율로 그린수소를 생산할 수 있는 ‘전기화학적 활성화 운전법(EA)’을 제안했다. 논문은 5월 23일 『네이처 커뮤니케이션즈』에 실렸다.
연구진은 상용 니켈 전극에 짧은 간격으로 약한 환원 전압을 걸어 전해질에 녹아 있던 미량의 철 이온을 표면에 재흡착시켰다. 니켈과 결합한 철은 니켈-철 수산화옥시화물(NiFeOOH) 촉매층을 전극 스스로 자가 치유 방식으로 형성해 산소 발생 반응(OER) 활성을 크게 높였다.
EA 운전법이 적용된 전극은 알칼리 조건에서 1 A cm⁻² 이상의 고전류 밀도로 1000시간 이상 성능 저하 없이 작동했다. 면적 25 cm², 3-스택 수전해 셀에서도 수백 시간 안정 운전이 가능해 실용 규모에서도 내구성을 입증했다.
25cm² 면적 3-스택 수전해 셀의 구성요소(왼쪽), 수전해 운전 중 모습(오른쪽)
경제성 분석 결과 하루 15톤의 바이오매스를 급속수열 반응으로 처리할 경우 비용 대비 편익(B/C)이 1.25로 나타났다. 촉매층 합성‧코팅 공정을 생략해 설비 투자와 유지 비용이 줄어든 덕분이다. 연구진은 고활성 촉매를 쓰지 않고도 수소 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있다고 설명했다.
윤제용 교수는 “촉매 의존도를 없앤 이번 전략은 대규모 수전해 설비의 가장 큰 걸림돌인 비용과 확장성 문제를 동시에 해결할 실마리”라고 말했다. 류재윤 교수는 “전극-전해질 계면에서 일어나는 전기화학 반응을 체계적으로 규명한 뒤 시스템에 구현한 사례”라고 의의를 밝혔다.
이 기술은 대형 수전해 플랜트에 그대로 적용할 수 있어 향후 기술이전과 상용화 가능성이 높다. 수소경제 전환과 탄소중립 전략을 추진 중인 국내 산업계에도 경쟁력 강화 카드로 작용할 전망이다.
친환경투데이 정하준 기자 press@greenverse.net |
