한국에너지기술연구원은 수소연구단 김민중 박사 연구팀이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극을 개발했다고 밝혔다.

물을 분해하면 수소·산소 발생 반응이 동시에 일어나는데, 문제는 전체 반응속도가 느리게 진행되는 산소 발생 반응에 맞춰진다는 점이다.

재생에너지의 변동성으로 수전해 장치에 급격한 전압 상승이 일어나 전극이 쉽게 손상되고 전체 성능이 저하되는 문제도 있다.

26일 김 박사팀은 산소 발생 반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물 전극의 철 이온 함량 조절만으로 재생에너지의 급격한 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다.

연구팀은 이중층 구조를 구성하는 철 이온 함량이 40% 이상일 경우 구조적 안정성이 극대화되는 것을 확인했다. 하지만 이론적인 최대 함량은 25% 수준으로, 일반적인 촉매 소재 합성을 통해서는 40% 이상 함량의 구조를 구현하기 어렵다.

연구팀은 40% 이상의 고농도 철 이온을 포함하는 니켈-철 전극을 만들기 위해 철 소재의 부식 방법을 사용했다.

철 기재를 니켈 2가 이온 용액에 담가 산소를 공급하면 부식 반응으로 철 2가·3가 이온이 방출되고, 동시에 수산화 이온이 생성된다.

이렇게 생성된 이온들이 만나 니켈-철 이중층 수산화물이 성장하는 과정을 반복하면서 철 이온 농도를 높게 유지할 수 있는 최적 조건을 찾아내 46%의 고농도 철 이온을 가진 전극을 개발하는 데 성공했다.

이 전극은 12시간 동안의 급격한 시작·정지 반복 운전에도 성능저하 없이 안정적으로 구동할 수 있어 20% 이상 성능저하를 보였던 일반적인 니켈-철 전극보다 우수한 동적 운전 내구성을 보였다고 연구팀은 설명했다.

김민중 박사는 "수전해 전극의 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하기 위한 핵심 기술 중 하나이기 때문에 보다 많은 관심과 지원이 필요하다"고 말했다.

이번 연구성과는 에너지재료분야 국제 학술지인 '어드밴스트 에너지 머티리얼스'의 표지논문으로 게재됐다.

또 수요기업으로 기술 이전돼 사업화를 위한 기술 협력이 진행 중이다.

<연합>

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