UNIST 전극서 공기 방울 없애 수소 생산하는 기술 개발…"효율 5배 향상"

기존 전극과 초혐기 필름 전극의 공기 방울 탈착 테스트. [사진 unist]

물 전기 분해시 전극에 붙는 기체를 제거해 수소 생산 효율을 높인 기술이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 류정기ㆍ이동욱 교수 공동연구팀이 전극 표면에 달라붙는 기체를 제거해 수소 생산 효율을 5배 높이는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 이는 표면에 미세한 구멍이 많은 고분자 젤을 물의 전기분해용 전극에 코팅하는 방식이다. 새로운 촉매를 개발하지 않고 전극 표면을 코팅하는 것만으로도 수소 생산량을 높일 수 있게 한 것이다.

전극 표면에 달라붙는 기체를 제거하는 것은 생산 효율과 직결된다. 전기화학적 물 분해는 전기 에너지를 이용해 물(H2O)을 수소(H)와 산소(O)로 분리해 내는 기술인데, 고체ㆍ액체ㆍ기체가 모두 반응에 참여한다는 특징이 있다. 고체는 전기화학반응이 일어나는 ‘전극’이고, 액체는 반응물인 ‘전해질’이다. 기체는 생성물인 ‘수소’와 '산소'가 된다. 그런데 생성된 수소가 전극에 흡착되면 전해질에 노출되는 전극 면적이 줄어들어 전체적인 수소 발생 효율이 저하된다.

연구팀은 다공성 하이드로겔(hydrogel)을 전극 표면에 코팅함으로써 기체 방울을 제거했다. 하이드로겔은 물을 많이 흡수할 수 있는 고분자물질이다. 고체의 표면에 코팅하면 기체가 잘 달라붙지 않고 떨어지게 된다. 연구팀이 이 방식으로 수소 발생 성능을 측정한 결과 그 결과,  기존 수소 생산효율이 5배 정도 향상됐음을 확인했다.

류정기 교수는 “그동안 고분자물질은 촉매 역할을 할 수 없고 전기가 통하지 않아 전기 분해의 효율을 낮춘다고 여겨져 쓰이지 않았다”며 “이번 연구를 통해 전극 표면을 코팅하는 방식으로 오히려 단점을 해소할 수 있었다”고 설명했다.

기존의 전극과 초혐기 필름 전극의 수소 기체 발생 효율 비교 [사진 unist]

이번 연구는 고분자물질을 고체의 표면에 코팅해 ‘혐기성’(기체를 밀어내는 성질)을 얻은 새로운 기술이라는 점에서도 주목받고 있다. 기존에도 표면의 기체를 제거하기 위해 고체의 표면에 나노 구조를 만드는 방법이 있었지만, 제조비용이 비싼 데다 적용 가능한 물질에도 제한이 있었다. 그러나 이번에 개발한 방법은 고체라면 물질에 상관없이 적용할 수 있고 대상 물질에 하이드로겔만 코팅하면 된다는 점에서 상대적으로 간편하고 활용 범위가 넓다는게 연구팀의 설명이다.

이 교수는 “이 기술은 물 전기 분해뿐 아니라 이산화탄소 자원화 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 지난 10일 국제 학술지 사이언스 어드밴시스에 공개됐다.

권유진 기자 kwen.yujin@joongang.co.kr