음이온 교환 막 수전해용 케소드 전극 개발

최창순 교수 연구팀은 저비용 고성능 음이온 교환 막 수전해 장치를 위해 탄소나노튜브 시트를 이용하여 새로운 구조의 수전해 케소드 전극을 개발하는 데 성공했다.

동국대 융합에너지신소재공학과 박지은 교수 (1저자), 최창순 교수 (교신저자), 및 서울대 화학생물공학부 성영은 교수 (공동 교신저자)로 구성된 연구팀은 탄소나노튜브 시트를 이용하여 기존 전극 구조의 단점을 개선한 격자 무늬의 거대 기공 전극을 개발했다.

음이온 교환 막 수전해 장치는 탄소 배출이 없는 대체에너지인 그린수소 생산하는 장치를 말한다. 이 장치는 비귀금속 촉매 사용으로 인해 그린수소 생산 단가를 낮추면서 높은 효율을 보일 수 있는 장점을 가지고 있어 대체 수전해 장치로 꼽히고 있다. 하지만 지금까지 보고된 종래 방식의 전극 구조는 촉매 입자가 빽빽하게 쌓여 있어 촉매의 이용률이 떨어지며, 크기가 작은 기공 구조가 전자, 이온, 물질 전달을 원활하지 못하여 음이온 교환 막 수전해 효율 증대에 한계가 있다. 

이를 해결하기 위해, 연구팀은 일정한 간격을 가지는 탄소나노튜브 시트 수직 방향으로 교차 적층하여, 격자 무늬의 거대 기공을 가지는 전극을 설계했다. 이렇게 개발된 케소드 전극은 거대 기공을 통해 촉매의 표면적을 넓히고, 전자, 이온, 물질 전달을 원활하게 하여 종래 전극 대비 높은 촉매 활성 및 수전해 성능을 보였다. 특히, 비백금 촉매를 적용하였을 때, 1.5 A cm-2 (@ 2.05 V)의 높은 전류밀도를 나타내어, 현재 보고된 수치 중 가장 높은 성능을 보고하였다. 또한, 해당 전극 사용 시 40 시간 동안 성능 감소 없이 안정적인 수전해 성능을 나타내어 높은 내구성을 가지는 전극 구조임을 확인하였다. 

박지은 교수는 “이번 연구는 격자 무늬를 가지는 탄소나노튜브 시트의 기공 구조를 이용하여 고성능 저비용 음이온 교환 막 수전해 장치를 구현한 것에 의미가 있다”며 “새롭게 개발한 케소드 전극 구조는 삼차원의 기공을 가지는 구조체이기 때문에 다른 종류의 수전해 장치나 연료전지, 아연-공기 전지 등 다양한 전기화학 장치에 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

연구결과는 <Hierarchically Porous, Biaxially Woven Carbon Nanotube Sheet Arrays for Next-Generation Anion-Exchange Membrane Water Electrolyzers>라는 제목으로 재료 분야 저명 국제 학술지 「Journal of Materials Chemistry A (IF=14.511)」 22년 8월 온라인에 게재됐다.