건국대학교는 KU융합과학기술원 한혁수 교수팀(미래에너지공학과)과 한국생산기술연구원 김강민 수석 공동 연구팀이 바닷물을 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 핵심 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

공동 연구팀은 그린 수소 생산에 핵심적인 기술인 수전해(Water electrolysis)를 통해 수소를 생산할 수 있는 양극 촉매 소재를 개발했다. 수전해는 물 전기 분해라고도 불리며, 전기 에너지를 통해 물에 산화·환원 화학 반응을 유도해 수소와 산소 기체로 분해하는 기술이다.

현재 가장 상용화한 수전해 기술은 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전해질로 사용해 염기성 환경에서 물을 전기 분해하는 ‘알카라인 수전해’ 기술이다. 하지만 이 기술은 양극 반응에서의 높은 과전압 때문에 에너지 전환 효율 향상에 어려움이 있었다. 전압을 낮추기 위해 일반적으로 니켈 기반의 촉매 소재를 전극 표면에 코팅해 사용하지만 이러한 촉매 소재는 열화 현상으로 촉매 입자 탈착을 유발해 높은 과전압을 일으켰다.

연구팀이 개발한 촉매 소재는 모재 전극 표면에서 직접 니켈 기반의 촉매를 성장시켜 유기 바인더 사용 및 별도의 코팅 공정을 필요로 하지 않는다. 기존 분말 형태의 촉매 소재 대비 월등한 내구성을 보일 뿐 아니라 전극과 촉매 소재 간 강한 전기적 상호 작용으로 높은 활성도 확보를 할 수 있다.

연구팀은 최적의 수소 생성 양극 반응 활성을 지닐 수 있는 최적의 전이 금속 4원계(Ni-Fe-Al-Co) 조성을 금속 유기 골격체 소재 담지 및 전기 화학적 활성을 통해 구현했다. 또 실험 및 이론적 검증을 통해 전기적 특성 변화가 쉬운 철 원자(Fe)가 양극 반응에서 주요한 활성 원소로 작용하는 것을 규명해냈다.

한혁수 교수는 “개발된 촉매 소재는 알카라인 전해질뿐만 아니라, 해수와 비슷한 염화나트륨이 포함된 전해질에서도 뛰어난 활성도와 내구성을 나타냈다”며 “담수를 사용하지 않고 해수를 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 해수 수전해 분야의 양극 촉매 소재로 활용이 가능할 것”이라고 말했다.