서울공대 화학생물공학부 윤제용 교수팀, 고성능 촉매 없이도 오래 가는 수전해 전극 운전기술 개발

김형철 기자 / 서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 윤제용·류재윤 교수팀이 건국대학교 화공학부 이장용 교수팀과의 공동연구를 통해 복잡한 촉매 제조 공정 없이도 그린수소를 생산할 수 있는 새로운 수전해(水電解) 운전 전략을 개발했다고 밝혔다.

▲25cm² 면적 3-스택 수전해 셀의 구성요소(왼쪽), 수전해 운전 중 모습(오른쪽)

연구진은 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 수소 생산의 효율을 획기적으로 높일 수 있다는 가능성을 제시했다. 따라서 이번 연구성과는 탄소중립 사회를 앞당길 기술적 전환점이 될 전망이다.

해당 연구결과는 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 ‘Dynamic polarization control of Ni electrodes for sustainable and scalable water electrolysis under alkaline conditions’ 제하의 논문으로 지난 5월 23일 게재됐다.

◇ 연구 배경

물을 전기분해해 그린수소를 생산하는 수전해 기술은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술로, 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나다. 수전해는 친환경 수소 생산의 핵심 기술로 주목받고 있으나 실제 시스템에서는 고활성을 유지하기 위해 정밀하게 합성된 촉매층을 전극 표면에 도포해야 하고, 이 촉매층은 시간이 지남에 따라 점차 성능이 저하되는 구조적 한계를 가진다.

이에 연구팀은 고급 촉매층을 만들 필요 없이 상용 니켈 (Ni) 전극만으로도 고효율·고내구성의 수소 생산을 가능케 하는 ‘전기화학적 활성화 운전법(EA 운전, Electrochemical activation)’을 독자적으로 개발했다.

◇ 연구 성과

연구팀은 촉매를 입히지 않은 상용 니켈 전극에 자체 개발한 EA 운전법을 적용해 수전해의 속도 결정 단계인 ‘산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)’에서 고성능을 보이는 니켈-철 수산화옥시화물(NiFeOOH) 촉매에 필적하는 수준의 수전해 효율을 달성했다. 핵심은 전극에 주기적으로 ‘쉬는 시간’을 주는 ‘동적 분극 제어(Dynamic Polarization Control)’ 방식이다. 이 방법은 니켈 전극에 짧은 시간 동안 약한 환원 전압을 가해 수산화칼륨 전해질에 녹아 있는 미량의 철(Fe)이 전극 표면에 다시 달라붙도록 유도한다. 이렇게 유도된 철은 니켈과 결합해 고활성 산소발생 촉매층을 전극 스스로 형성하게 하고, 반복적으로 자기 회복하는 ‘자가 치유(Self-healing)’ 전극이 된다.

이 운전법이 적용된 수전해 셀은 1A/cm²의 고전류 조건에서 1000시간 이상 안정적으로 구동됐다. 뿐만 아니라 면적 25cm² 규모의 3-스택 수전해 셀 시스템에서도 수백 시간 이상 작동하는 우수한 내구성을 입증했다. 이는 실험실 수준을 넘어 실제 사용 환경에 가까운 넓은 셀 구성과 장시간 운전 조건에서도 기술의 신뢰성을 확보했음을 의미한다.