공과대학 화공생명공학/KU-KIST 융합대학원 조진한 교수 연구팀이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 직물 소재에 저온 탄화공정과 표면처리를 통한 전기도금을 통해, 세계 최고 수준의 수소 생산 성능과 구동 안정성을 동시에 지닌 초고효율 수전해 전극을 제작하는 데 성공했다.

수소는 연소 후에도 유독성 기체를 배출하지 않고, 중량 대비 높은 에너지를 낼 수 있어 다양한 국가들이 지구온난화 및 기후변화 대응을 위한 2050 탄소중립을 추구함에 따라 차세대 친환경 에너지로 많은 주목을 받고 있다. 특히, 수소 생산 방법 중에 수전해 방식은 온실가스를 배출하지 않는 그린 수소를 생산하는 방식으로 많은 각광을 받고 있다. 그러나, 수전해 방식은 수소를 생산하는 데에 높은 전압이 필요하여 낮은 수소 생산 효율을 지닌다는 한계점이 있어, 낮은 전압에서도 높은 수전해 성능을 장시간 유지하는 전극을 개발하는 것이 핵심과제였다.
* 그린 수소 : 신재생 및 원자력 에너지를 이용해 물을 전기 분해하여 얻어지는 수소


수소 생산 효율을 높이기 위해 기존 귀금속 촉매를 대체하여 전이 금속 기반의 촉매를 다공성 구조의 지지체에 코팅하여 수전해 전극을 제작하는 연구들이 있었으나, 기존에 보고된 기술로는 넓은 표면적을 갖는 직물 소재에 금속 촉매를 완벽하게 코팅하지 못하여 수전해 전극으로 적용하는 데 여러 한계가 존재했다.

연구팀은 저온의 탄화공정으로 절연성 직물 소재에 전도성을 부여한 후, 피브릴 표면에 금속 촉매 층과 화학적 결합을 이룰 수 있는 반응기를 도입하는 독자적인 표면처리 기반 전기 도금법을 이용하여 세계 최고 수준의 수소 생산 성능과 구동 안정성을 동시에 지닌 수전해 전극개발에 성공했다.

이 기술을 통해 비교적 값이 싼 니켈, 철, 코발트 등을 표면 처리된 탄화 직물 소재에 균일하게 코팅하여 수소 생산의 효율성을 극대화했다. 이번 연구에서 제작된 수전해 전극은 기존 귀금속 촉매 기반 전극 대비 수소 생성 효율을 20배 이상 향상된 (본 연구에서의 과전압: 10 mA/cm2에서 0.012 V) 성능을 보였으며, 구동 전압을 20% (본 연구에서의 구동 전압:2,000 mA/cm2에서 1.7 V) 낮춰 전 세계 최고성능임을 입증했다. 특히, 개발된 수전해 전극은 높은 전류밀도 (2,000 mA/cm2)에서 2,000시간 이상 성능을 유지하는 등 독보적인 구동 안정성을 보였다.

조진한 교수는 “이번 연구는 탄화된 직물 소재의 넓은 표면적을 최대한 활용하고 금속 촉매 층과의 계면 설계를 통해 수소 생산 효율성과 우수한 내구성을 동시에 확보한 전극개발의 최초 사례로, 이를 통해 만들어진 수전해 전극은 세계 최고의 수소 생산 성능과 우수한 구동 안정성을 보고하고 있다. 이는 앞으로 2050 탄소중립 사회 실현에 맞춰 국내 수소 에너지 관련 산업의 국가 경쟁력을 확보하는데 기여할 것이라고 기대된다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업과 고려대학교, KU-KIST 사업에서 지원된 연구비로 수행됐으며, 영국왕립화학회(RSC, Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 에너지 환경 분야 세계적인 권위지인 에너지 앤 인바이런먼털 사이언스 (Energy & Environment Science)에 한국시간  7월 15일 온라인 게재됐다.
 * 논문명 : Carbonization/Interfacial Assembly-Driven Electroplating Approach for Water-Splitting Textile Electrodes with Remarkably Low Overpotentials and High Operational Stability
 * 저널명 : Energy & Environment Science
 * 저자 : 조진한 교수 (교신저자/고려대학교), 모정민 석박사통합과정 (제1저자/고려대학교), 고윤지 박사 (공동제1저자/고려대학교)



[ 그 림 설 명 ]

▲ 표면 처리된 탄화 직물 소재 및 수전해 전극 제작 방법 모식도
탄화 직물 소재에 다양한 반응기로 표면처리를 함으로써 금속 촉매와의 안정적인 화학적 결합을 유도한다. 이후 니켈과 니켈,철,코발트 화합물을 전기도금을 통해 표면 처리된 탄화 직물 소재에 고르게 코팅하여 수소 발생 전극과 산소 발생 전극을 제작한다.