대체에너지로 주목받는 수소는 이론적 에너지밀도가 화석연료의 3배 이상으로 높은 활용성과 경쟁력을 갖고 있다.
그러나 현재 사용하는 수소의 대부분은 화석연료에 기반을 둔 메탄개질이나 석탄가스화 방식으로 만들기 때문에 생산과정에서 이산화탄소를 배출한다.
이에 반해 태양광, 풍력 등 신재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해해 생산하는 청정 그린수소가 있지만, 신재생에너지 기반 동력원은 온도, 날씨 등의 영향으로 발전량이 불규칙하기 때문에 물 분해 효율이 낮은 것이 문제다.
신재생에너지 기반 동력원은 온도, 날씨 등의 영향으로 발전량이 불규칙하기 때문에 따른 낮은 물 분해 효율을 보인다.
따라서 공기 중 산소를 연료로 활용하는 아연-공기전지를 물분해 시스템을 결합해 안정적으로 전력을 공급하며 수소를 생산하는 차세대 그린수소 생산 시스템 개발이 대안으로 제시되고 있다.
자가발전형 그린수소 생산 시스템
KAIST 신소재공학과 강정구 교수팀이 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산시스템을 개발했다.
연구팀은 물을 전기분해하기 충분한 전압을 방출할 수 있는 공기전지에 주목했다.
공기전지는 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용하는 일차전지로, 수명이 길지만 기전력은 낮은 것이 단점이다. 또 장시간 충·방전 시 고가의 촉매 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다.
공기전지를 물 전기분해에 활용하려면 반응에 효과적인 촉매와 더불어 반복적인 아연-공기전지 전극 충·방전 반응에 안정적인 물질을 개발해야 한다.
이에 연구팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 크기 금속-유기 골격체를 활용해 산소발생-수소발생-산소환원 등 3가지 다른 반응에 모두 효과적인 비귀금속 촉매소재 ‘G-SHELL’ 합성법을 제시했다.
G-SHELL은 독특한 이종접합구조에 의해 제어된 밴드구조 및 내부 전계효과로 인해 물 분해에 효과적인 촉매반응과 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응을 위한 촉매반응을 모두 만족한다.
특히, 고체 전극, 액체 전해질, 반응 기체의 3상 계면에서 빠른 반응을 위해 개발된 G-SHELL의 형태학적·전기화학적 특성은 이온의 흐름과 전자 전달을 용이하게 만들어 장시간 안정성이 확보된 촉매 특성을 구현했다.
연구팀은 G-SHEL을 공기전지의 공기극 물질로 구성해 기존 배터리 대비 5배 높은 에너지밀도와 높은 출력, 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동이 가능함을 확인했다.
아울러 이런 특성을 바탕으로 기존 귀금속 촉매대비 향상된 산소 환원반응에서의 전하전달, 물 분해 반응에서 낮은 과전압 특성과 3가지 다른 촉매반응에서 모두 높은 수명특성을 갖는 것도 검증했다.
이는 수용성전해질로 구동하기 때문에 화재에 대해서도 안전해 차세대 에너지저장장치로서 수전해 시스템과 연동시켜 수소 생산을 위한 친환경 공법으로 활용될 것으로 기대된다.
강 교수는 “아연-공기전지와 물분해 시스템은 수용성 전해질 사용이 가능해 화재 위험을 차단하고, 안정적 발전으로 균일한 수소생산이 가능해 그린수소의 한계를 극복할 돌파구가 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 `어드밴스드 사이언스' 지난달 17일자에 게재됐다.
(논문명: Trifunctional Graphene-Sandwiched Heterojunction-Embedded Layered Lattice Electrocatalyst for High Performance in Zn-Air Battery-Driven Water Splitting)
