서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 윤제용·류재윤 교수팀이 건국대학교 화공학부 이장용 교수팀과의 공동연구를 통해 복잡한 촉매 제조 공정 없이도 그린수소를 생산할 수 있는 새로운 수전해(水電解) 운전 전략을 개발했다고 밝혔다.

연구진은 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 수소 생산의 효율을 획기적으로 높일 수 있다는 가능성을 제시했다. 따라서 이번 연구성과는 탄소중립 사회를 앞당길 기술적 전환점이 될 전망이다.

해당 연구결과는 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 ‘Dynamic polarization control of Ni electrodes for sustainable and scalable water electrolysis under alkaline conditions’ 제하의 논문으로 지난 5월 23일 게재됐다.

◇ 연구 배경

물을 전기분해해 그린수소를 생산하는 수전해 기술은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술로, 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나다. 수전해는 친환경 수소 생산의 핵심 기술로 주목받고 있으나 실제 시스템에서는 고활성을 유지하기 위해 정밀하게 합성된 촉매층을 전극 표면에 도포해야 하고, 이 촉매층은 시간이 지남에 따라 점차 성능이 저하되는 구조적 한계를 가진다.

이에 연구팀은 고급 촉매층을 만들 필요 없이 상용 니켈 (Ni) 전극만으로도 고효율·고내구성의 수소 생산을 가능케 하는 ‘전기화학적 활성화 운전법(EA 운전, Electrochemical activation)’을 독자적으로 개발했다.

◇ 연구 성과

연구팀은 촉매를 입히지 않은 상용 니켈 전극에 자체 개발한 EA 운전법을 적용해 수전해의 속도 결정 단계인 ‘산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)’에서 고성능을 보이는 니켈-철 수산화옥시화물(NiFeOOH) 촉매에 필적하는 수준의 수전해 효율을 달성했다. 핵심은 전극에 주기적으로 ‘쉬는 시간’을 주는 ‘동적 분극 제어(Dynamic Polarization Control)’ 방식이다. 이 방법은 니켈 전극에 짧은 시간 동안 약한 환원 전압을 가해 수산화칼륨 전해질에 녹아 있는 미량의 철(Fe)이 전극 표면에 다시 달라붙도록 유도한다. 이렇게 유도된 철은 니켈과 결합해 고활성 산소발생 촉매층을 전극 스스로 형성하게 하고, 반복적으로 자기 회복하는 ‘자가 치유(Self-healing)’ 전극이 된다.

이 운전법이 적용된 수전해 셀은 1A/cm²의 고전류 조건에서 1000시간 이상 안정적으로 구동됐다. 뿐만 아니라 면적 25cm² 규모의 3-스택 수전해 셀 시스템에서도 수백 시간 이상 작동하는 우수한 내구성을 입증했다. 이는 실험실 수준을 넘어 실제 사용 환경에 가까운 넓은 셀 구성과 장시간 운전 조건에서도 기술의 신뢰성을 확보했음을 의미한다.

◇ 기대 효과

이번 연구에서 개발한 EA 운전법은 고가의 귀금속 촉매를 대체하고, 수소 생산 공정을 단순화함으로써 그린수소 생산의 경제성을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 보여준다. 고가의 촉매 소재나 복잡한 공정 없이도 높은 효율과 안정성을 동시에 확보한 이 운전법은 실제 수소 생산 비용 절감에 기여할 수 있을 뿐 아니라 기술의 재현성과 확정성 또한 우수해 대형 시스템으로의 전환 및 상용화 가능성도 매우 높게 평가된다.

이에 따라 본 기술은 향후 기술이전 및 산업 현장 적용을 통해 국내 수소 생산 공정의 경쟁력을 실질적으로 강화할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 한국의 탄소중립 실현과 수소경제 전환을 뒷받침하는 핵심 기반 기술로 자리매김할 전망이다.

◇ 연구진 의견

연구를 이끈 윤제용 교수는 “촉매에 의존하지 않는 수소 생산법은 궁극적으로 그린수소의 경제성과 확장성을 획기적으로 높일 수 있는 전략”이라며 “이번 성과는 탄소중립을 위한 수소경제 기술의 실질적 전환점이 될 것”이라고 강조했다.

연구를 공동으로 주도한 류재윤 교수는 “이번 연구는 단순한 운전 조건의 최적화가 아니라 전극/전해질 계면에서 일어나는 복잡한 전기화학적 상호작용을 체계적으로 규명하고, 이를 실제 시스템에 구현한 원천 응용 연구”라며 “기초 원리의 정교한 해석과 산업적 유효성을 동시에 입증한 사례”라고 평가했다.

◇ 연구진 진로

본 연구의 제1저자인 서울대학교 화학생물공학부 한상휘 박사는 전기화학 기반의 에너지 전환 기술을 중심으로 글로벌 탄소중립 기술 개발에 이바지하고자 하는 연구 비전을 갖고 있다. 오는 9월부터는 미국 UC 버클리(University of California, Berkeley)에서 박사후연구원으로 근무하며, 세계적 연구 환경 속에서 한국의 선도적 기술 역량을 더욱 강화하는 연구 활동을 이어갈 예정이다. 아울러 한 박사는 장기적으로는 국내 교수직에 도전해 에너지·환경 분야의 학문 발전과 산업 혁신에 중추적인 역할을 맡을 계획이다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘개인기초연구사업-중견연구(창의연구형)’, ‘나노 및 소재기술 개발사업’, ‘우수신진연구’, ‘탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업’, 기초과학연구원 나노입자 연구단 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.