흑연화된 카본양극 통해 물의 전기분해 효율 높여

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순수 카본 양극(연두)과 흑연화된 카본 양극(빨강)의 산소 발생 활성

지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀이 흑연화된 카본양극을 통해 알칼리 물을 전기분해1)하는 과정에서의 산소 발생 효율을 개선하는데 성공했다. 이는 기존에 양극재료로 쓰이던 카본과 달리 내구성까지 갖춘 양극 전극 촉매라는 점에 차이를 둔다.

물의 전기분해 효율 높이고 싶어

연구팀은 대체 에너지로서 수소의 중요성이 높아짐에 따라 물의 전기분해(일명 수전해)가 주목받고 있음을 말했다. 물의 전기 분해 효율을 높일수록 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 부차적 비용이 줄어드는 것이다. 이와 관련된 산업이 작지 않은 규모인 만큼 관련 문제를 해결하는 것은 필수적이었다. 이번 연구는 물의 전기분해 공정들 중 알카리성 분위기에서 이루어지는 알카리 수전해 시스템에 주목하여 진행되었다.

부식 없는 metal-free 카본 촉매가 중요
이번 연구의 중요 주제는 알칼리 공정에서 비귀금속 촉매를 사용할 때 발생하는 금속 용출 반응을 피하는 것이다. 양극 촉매에는 이리듐 등 귀금속 촉매와, 망간-철-코발트-니켈을 사용하는 비귀금속 촉매가 있는데, 비귀금속의 경우 부식에 의해 금속 용출 반응이 일어난다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 근본적으로 금속이 없는 metal-free 카본 촉매를 사용했다. 연구팀은 코발트를 이용하여 카본의 기공 구조를 최적화하고, 열처리를 통해 흑연화도를 조절했다고 말했다. 전기방사법을 이용하여 카본섬유 내부와 외부에 코발트 입자를 위치시키고, 화학적 리칭 공정으로 완벽히 코발트 입자를 제거함으로써 고효율산소발생에 적합한 메조기공 및 흑연구조를 선택적으로 형성시킨 것이다. 이번 연구를 통해 연구팀은 흑연화된 양극이 산소발생 활성과 내구성을 모두 확보할 수 있는 촉매임을 규정하였다.

zero-gap형태로 진행된 연구, 상용화 기대

순수 카본 양극(연두)과 흑연화된 카본 양극(빨강)의 산소 발생 활성
순수 카본 양극(연두)과 흑연화된 카본 양극(빨강)의 산소 발생 활성

연구팀은 흑연화된 양극에 음이온교환분리막이 적용된 zero-gap2) 셀을 적용시켜 실질적인 물의 전기분해 공정의 효율을 높이는 방식을 제시했다. 소규모로 수행한 실험 결과이지만 zero-gap 형태로 연구를 행했기 때문에 관련 산업계가 scale-up을 통해 실제 물의 전기분해 공정에 확대 적용할 수 있을 것으로 보인다. 순수 물의 전기분해는 물론 바닷물의 전기분해, 수소연료전지, 금속-공기 배터리 분야에 널리 활용이 가능한 연구 성과인 것이다. 기존에 천연가스인 메탄가스를 고온·고압에서 수증기로 분해하여 수소를 생산하는 공정에 비해 전기화학 공정의 양극재료로 저가의 비금속 촉매를 사용하여 높은 수소 생산 단가를 낮춰 상용화에 기여할 것으로 보인다.

이재영 교수 연구팀은 전기화학 반응으로 물로부터 수소와 산소를 생산하는 과정에는 아직 정확한 메커니즘의 규명이 필요하다고 말했다. 그리고 이에 대한 실시간 분석을 통한 연구의 수행이 필요하다고 덧붙였다.

본 연구는 국제학술지인 영국 RSC 물리화학-화학물리(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP) 9월 7일자 Issue 33dp 2017 PCCP HOT Articles로 게재되었다.

1) 전기분해 : 물을 1.23V(DC 전원) 이상의 전기에너지로 분해하여
초고순도 수소와 산소를 만드는 전기화학 공정 중에 하나
2) zero-gap 셀 : 양극, 이온교환막, 음극을 일체형으로 접합시켜
계면의 틈을 100%에 가깝게 제거한 전기화학 반응 셀

신승하 기자 seungha0427@gist.ac.kr