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[IT뉴스]바닷물로 수소 생산 '난제' 풀었다…세계 최초 800시간 연속 운전 성공

온카뱅크관리자

2025-08-07 13:57:43

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국에너지기술연구원 SCI 융합연구단, 탄소섬유 기반 고성능 전극 개발 
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 에너지연이 개발한 촉매를 전극에 합성하는 과정을 나타낸 모식도 /사진=한국에너지기술연구원
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 국내 연구팀이 세계 최초로 고전류 환경에서 해수 수전해용 전극을 800시간 이상 연속 운전하는 데 성공했다. 
 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 한지형 SCI 융합연구단 전기화학실험실 책임연구원 연구팀이 고전류 환경에서 장기간 안정적인 성능을 내는 탄소섬유 기반 고성능 전극을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '응용 표면과학' 온라인판에 5월 게재됐다.
 수전해 기술은 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 최근에는 전 세계적인 담수 부족으로 인해 바닷물을 직접 활용하는 '해수 수전해' 기술이 주목받는다. 
 해수 수전해 장치의 성능과 수명은 전극을 구성하는 촉매와, 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체에 달려있다. 촉매는 일반적으로 백금, 루테늄 같은 값비싼 귀금속을 사용하기 때문에 비용적인 문제가 있다. 금속 재질인 지지체의 경우 바닷물과 만날 때 염소이온이 부식을 일으키기 때문에 한계가 있다. 
 대체재로 '탄소섬유' 기반 촉매가 나왔지만, 탄소섬유 촉매는 고전류(500mA/cm² 이상) 환경에서 100시간 이상 장기 운전하면 성능이 낮아지고 구조가 손상된다는 문제가 있었다. 
 에너지연 연구팀은 '산 처리 공정'에서 해결책을 찾았다. 탄소섬유를 100°C의 고농도 질산 용액에 한 시간 담그면 수분이 증발하며 질산의 농도가 바뀐다. 이는 탄소섬유를 골고루 산 처리하는 데 방해가 된다. 연구팀은 질산의 농도 변화를 방지해 골고루 산 처리할 수 있는 전용 용기를 설계했다. 
 이를 통해 산 처리한 탄소섬유 지지체는 높은 친수성(물과 친한 성질)을 띠어 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도했다. 특히 루테늄은 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학적 성능을 냈다. 
 이를 통해 완성한 코발트-몰리브덴 촉매는 단 1% 수준의 루테늄만 사용하고도 기존 코발트-몰리브덴 촉매 대비 과전압을 약 25% 낮췄다. 과도하게 투입되는 전압을 줄임으로써 동일한 전류 밀도에서도 약 1.3배 효율적인 수소 생성 반응이 나타났다.
 이어 개발한 촉매를 500mA/cm²(밀리암페어 퍼 제곱센티미터)의 고전류 조건에서 800시간 연속 운전한 결과, 초기 성능이 그대로 유지됐다. 촉매의 금속 성분을 분석하자, 루테늄과 코발트 등의 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 내에 머물러 높은 안정성을 입증했다. 아울러 연구팀은 이 기술을 25cm² 규모의 대면적에서 적용하는 데 성공했다.
 한지형 책임연구원은 "탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중, 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례"라며 "향후 1000시간 이상의 장기 운전 평가와 대면적 모듈화·스택화 연구를 거쳐 실증 수준으로 기술을 확장할 것"이라고 했다.
 이번 연구는 NST(국가과학기술연구회) 지원을 받았다.
 박건희 기자 wissen@mt.co.kr
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