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GIST, 물의 전기분해용 고효율 흑연양극 개발
수소연료 생산 전력비용 낮춰 상용화 기대
2017년 09월 13일 (수) 10:56:16
   
▲이재영 교수(좌측)와 신동윤 박사

[대학저널 유제민 기자] GIST(총장 문승현) 지구·환경공학부 이재영 교수팀이 흑연화된 카본양극을 이용해 알카리 물 전기분해의 난제인 산소발생 효율을 개선하는데 성공했다. 알카리 물의 전기분해는 고순도 수소생산공정 중 하나다.

이번 성과는 천연가스인 메탄가스를 고온·고압에서 수증기로 분해해 수소를 생산하는 공정에 비해 전기화학 공정의 양극재료로 저가의 비금속 촉매를 사용, 높은 수소 생산단가를 낮춰 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

물의 전기분해에 사용되는 일반적인 양극재료로는 활성탄소에 담지된 이리듐 귀금속 촉매가 있다. 하지만 최근 이리듐은 수요가 많아져서 고가로 거래된다는 단점이 있다.

연구팀은 전기방사법을 이용해 카본섬유 내부와 외부에 코발트 입자를 골고루 위치시키고, 화학적 리칭(leaching) 공정으로 완벽히 코발트입자를 제거함으로써 고효율 산소발생에 적합한 메조기공 및 흑연구조를 선택적으로 형성시킬 수 있었다.

리칭은 광석이나 배소광(焙燒鑛)에 함유된 금속·금속광물 등의 특정한 성분을 산·알카리 등의 용매로 녹여 남아 있는 고체로부터 분리시키는 일로서 광석에서 구리·아연·우라늄 등의 금속원소를 추출하는 방법이다.

물의 전기분해 공정은 음극에서의 수소발생과 양극에서의 산소발생이 커플 반응으로 일어나게 된다. 음극재료는 탁월한 성능의 촉매가 다수 이미 개발돼 있지만 양극재료는 이리듐 기반 귀금속을 사용하더라도 과전압이 높고 동역학이 느리다는 문제점을 가지고 있다.

이재영 교수팀은 흑연화된 양극이 산소발생 활성과 내구성을 모두 확보할 수 있는 촉매임을 규명했다. 또한 단순히 촉매의 특성만을 측정하는 것에서 벗어나 음이온교환분리막이 적용된 zero-gap 셀로 실질적인 물의 전기분해 공정효율 개선까지 제시해 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

GIST 지구·환경공학부 이재영 교수(교신저자)가 주도하고 신동윤 박사(1저자)가 수행한 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(KETEP)과 GIST 차세대에너지연구소의 지원을 받았다. 또한 촉매화학, 에너지화학, 물리화학 분야의 국제학술지인 영국 RSC 물리화학-화학물리(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP) 9월 7일자 Issue 33에 '2017 PCCP HOT Articles'로 게재됐다.


유제민 기자 yjm@dhnews.co.kr
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