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친환경 수소, 신(新) 수전해 장치로 더 많이 생산한다


화학연, 수전해 성능 80% 이상 높아진 고성능 전해질막 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 수소 산업이 12대 국가전략기술 중 하나이자 기후변화 문제 해결, 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 이런 가운데 국내 연구팀이 물 전기분해를 통해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 핵심 소재이자 기존보다 수전해 성능이 80% 이상 향상된 고성능 전해질막을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이미혜) 김태호·안수민 박사, 강원대 조용훈 교수 공동 연구팀은 최근 발표된 연구에서 양이온 교환막 수전해 장치에 적용했을 때 수소 이온은 원활히 이동하면서, 수소 기체의 투과는 억제할 수 있는 가지사슬 구조의 새로운 전해질막 소재를 내놓았다.

이번 기술을 수소 경제 구현의 핵심인 ‘수전해 기술’에 응용한다면 그린수소를 보다 안전하고 효율적으로 제조할 수 있을 것으로 전망된다. 비싼 상용소재를 대체해 수소 생산 비용을 낮추고 핵심 소재 국산화와 수소 기술 확산에도 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

고분자 주사슬에 하나 이상의 블록이 곁사슬로 도입된 고분자 구조인 ‘가지사슬 구조’를 도입해 수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계했다. [사진=화학연]
고분자 주사슬에 하나 이상의 블록이 곁사슬로 도입된 고분자 구조인 ‘가지사슬 구조’를 도입해 수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계했다. [사진=화학연]

국제에너지기구(International Energy Agency)는 탄소중립 달성을 위한 에너지원으로 수소와 암모니아 가스가 최대 15.7% 비중으로 전망했다. 수소는 에너지, 철강, 화학 등 다양한 산업에서 2050년 기준 6억5천만톤이 소비되며, 글로벌 수소 시장이 500조원 규모로 성장할 것으로 예측했다.

현재 글로벌 수소 생산량의 99%는 화석연료에서 추출되고 있어, 이산화탄소가 함께 배출된다. 결국 탄소중립 달성을 위해 탄소 배출이 없는 그린수소 생산 기술로의 전환이 필수적이다. 물에서 수소를 대량 생산하고, 태양광, 풍력 등의 재생 전력을 활용해 수소 생산 전 과정이 친환경적 수전해 방식이 가장 이상적 모델이다.

화학연과 강원대 공동 연구팀은 튼튼한 엔지니어링 고분자 기반의 화학구조를 가지면서 수소 이온을 전달하는 기능이 부여된 ‘가지사슬’을 도입했다. 수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계해 수소 이온이 원활하게 이동(높은 전도도)할 수 있으면서, 수소 기체의 투과는 억제(낮은 투과율)할 수 있는 새로운 전해질막이다.

이미혜 화학연 원장은 “이번 성과는 상용 수전해 전해질막이 가지는 성능과 안전성 한계를 뛰어넘을 수 있는 원천 소재 기술”이라며 “100% 수입에 의존하고 있는 기존의 고가 제품을 대체할 수 있는 국산화 소재 기술이 될 수 있을 것으로 기대한다“고 말했다.

연구결과(논문명 : Highly Sulfonated Aromatic Graft Polymer with Very High Proton Conductivity and Low Hydrogen Permeability for Water Electrolysis)는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 2022년 12월호 표지 논문으로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)






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