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[IT뉴스]고전류 상황서 800시간 연속 운전 가능한 수전해용 전극 개발

온카뱅크관리자

2025-08-07 14:07:29

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 수소를 나타내는 이미지. 게티이미지뱅크 제공
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 국내 연구진이 바닷물로 수소를 만드는 해수 수전해용 고성능 전극을 개발했다. 실제 산업 현장 조건과 유사하게 전극에 큰 전류가 흘러 들어가는 고전류 상황에서 800시간 연속 운전에 성공해 상용화 가능성이 높다. 
 한국에너지기술연구원(에기연)은 한지형 전기화학실험실 책임연구원팀이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반 고성능 전극을 개발했다고 7일 밝혔다. 
 물을 분해해 수소를 생산하는 수전해 기술은 친환경 기술이다. 주로 담수를 사용하고 있지만 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목받고 있다.
 해수 수전해 장치의 성능과 수명은 전극을 구성하는 촉매에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 백금, 루테늄과 같은 귀금속 기반 촉매가 활용되고 있지만 값이 비싸 최근에는 비귀금속계 촉매나 최소한의 귀금속을 사용하는 방식이 연구되고 있다. 
 촉매를 고르게 분산하는 전극 지지체도 해수 수전해 장치 성능과 관련 있다. 금속 재질의 지지체는 염소이온이 일으키는 부식에 취약해 수명에 한계가 있다. 대체재로 전기전도성과 내식성, 유연성, 가격 경쟁력이 우수한 탄소섬유가 대두됐다. 하지만 탄소섬유 기반 지지체는 산업계에서 요구하는 고전류와 100시간 이상 장기 운전 시 성능 저하와 구조 손상 문제가 발생해 상용화에 어려움을 겪었다.
 연구팀은 최적의 산 처리 공정을 통해 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 지지체 기반 전극을 개발하고 기존 전극의 단점을 극복했다. 
 연구팀은 전극의 반응성을 올리기 위해 탄소섬유의 산 처리에 집중했다. 산 처리는 100°C의 고농도 질산 용액에 담가 한 시간 동안 진행된다. 과정 중 수분 증발로 인해 질산의 농도가 변화되는 것이 문제였다. 연구팀은 산 처리 전용 용기를 새로 설계해 농도 변화를 방지하고 최적의 탄소섬유 지지체 표면 처리에 성공했다.
 산 처리된 탄소섬유 지지체는 친수성이 높아 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도한다. 특히 귀금속인 루테늄은 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 전기화학적 성능을 낼 수 있게 했다. 연구팀은 이어 코발트-몰리브덴 촉매를 개발해 새로운 해수 수전해용 전극을 개발했다. 
 개발한 전극은 전극에 가해지는 과전압을 기존에 비해 25% 낮춰 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 보였다. 전극은 cm²당 50mA(밀리암페어)의 고전류 조건에서도 800시간 이상 연속 운전 시 초기 성능을 유지했다.
 또 운전 후 촉매의 금속 성분을 분석한 결과 루테늄과 코발트 등의 금속 이온이 전해액으로 유출되지 않고 촉매 내에 유지돼 높은 내식성과 구조적 안정성을 나타냈다. 아울러 cm² 규모의 대면적 전극 합성에도 성공해 실용화를 위한 확장 가능성을 보였다.
 한 연구원은 “개발한 기술은 탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례다”며 “향후 1,000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반의 모듈화·스택화 연구를 통해 실증 수준으로 기술을 확장할 계획이다”고 말했다. 
 연구성과는 국제 학술지 어플라이드 서페이스 사이언스(Applied Surface Science)’에 지난 5월 게재됐다. 
 &lt;참고자료&gt; -https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163534
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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