한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 한지형 박사 연구팀이 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 개발했다.
해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기침전물의 성장 속도를 감소시킨 기술이다.
고비용의 해수담수화 과정 없이 직접 바닷물을 원료로 해 수소를 생산하는 기술을 대폭 향상시켰다는 평가를 받고 있다.
직접해수전해는 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화할 수 있는 기술이다.
해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산이 가능하다.
문제는 환원전극에서 물 환원반응을 통해 수소가 생산되면서 해수 염기성화 진행과 함께 해수에 포함된 마그네슘 양이온이 반응하는 무기침전물이 형성이다.
무기침전물은 해수전해의 전류밀도를 크게 감소시키고 흐름 기반 스택 개발에 걸림돌이 되고 있다.
현재 직접해수전해의 연구는 촉매 개발에만 집중돼 왔다.
산소발생반응이 선택적으로 일어나고 고전류밀도를 견디는 고성능 촉매가 개발되고 있으나 단위 셀에서의 기초연구에만 머물고 있다.
더구나 직접 해수를 사용할 경우 발생하는 환원전극에서의 무기침전문제를 해결하는 방법을 제시한 연구는 전무한 상태다.
연구팀은 무기 침전을 물 해리반응이 일어나는 양극성 막을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 억제했다.
양극성 막에서는 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)으로 분리되고, 환원용액에 양성자를 공급해 해수를 산성화시키는 역할을 한다.
물 환원반응, 무기침전반응, 그리고 물 해리반응의 상호작용을 통해서 해수는 산성화된다.
산성화는 분산형 무기침전물 형성을 완전히 억제하고 환원전극 계면에 형성된 무기침전물의 두께를 최소화하며 환원전극전압을 낮추게 된다.
한지형 박사는 “양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견했다”며 “이번 연구결과를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보했고, 대용량 스택 개발의 가능성도 크게 높였다”고 말했다.
이번 연구성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 최신호에 게재됐다.
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