▲ ‘ACS 에너지 레터스’ 온라인판 논문 표지.(사진=KAIST)

[월간수소경제 성재경 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 김희탁 생명화학공학과 교수 연구팀이 얇은 고분자막을 사용하는 PEM(고분자전해질) 수전해시스템에서 양극의 귀금속 촉매 함량을 낮출 때 발생하는 성능저하 현상을 규명했다고 22일 밝혔다.

PEM 수전해는 기존 알칼라인 수전해보다 성능이 높고 생산된 수소의 순도도 높다. 다만 산성 환경에서 작동하는 양이온 전도성 고분자전해질의 특성상 효율적인 물 분해를 위해 백금이나 이리듐 같은 귀금속 기반 촉매를 사용한다.

수전해 시스템에 사용하는 귀금속 촉매는 수급이 부족하고 가격이 높다는 문제가 있다. 특히 양극에 들어가는 이리듐은 촉매 함량을 줄이면 급격한 성능저하 현상이 발생한다.

연구팀은 PEM 수전해 양극의 이리듐 촉매 함량을 낮췄을 때 발생하는 성능저하가 촉매층과 확산층 계면에서 바인더 함량이 증가하는 데 원인이 있음을 밝혀냈다.

수전해시스템에 사용하는 전극은 이리듐 촉매와 바인더로 구성된 촉매층, 그리고 티타늄 확산층이 결합한 구조다. 이리듐 촉매와 티타늄 확산층이 접촉할 때, 티타늄 표면 자연 산화막의 전자띠가 굽는 ‘띠 굽음’ 현상이 일어난다. 이리듐 함량이 낮은 전극에서는 띠 굽음 현상이 심해지고, 전자띠가 굽어 전자가 전달되지 않으면서 성능저하가 일어나는 것이다.

▲ 김희탁 한국과학기술원 생명화학공학과 교수 연구팀이 규명한 PEM 수전해시스템 성능저하 현상 모식도.(그림=KAIST)

연구팀은 띠 굽음 현상이 완화된 계면을 설계할 경우, 이리듐 함량을 10분의 1 수준으로 낮춰도 유사한 수전해 성능을 보이는 결과를 확인했다. 비싼 귀금속을 많이 쓰지 않고도 전극 계면에 변화를 줘 그린수소를 싸게 생산하는 것이다.

김희탁 교수는 “이번 연구는 그동안 밝혀지지 않았던 이리듐 저감형 수전해 전극의 성능 문제를 짚어 원인을 규명하고 해결법을 제공한 것”이라며 “효율과 가격을 동시에 잡을 수 있는 그린수소 생산 시스템 개발에 응용되길 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 5월 12일 온라인판 표지 논문으로 게재됐다.

   

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