[요약]
- 바닷물을 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해는 전해액과 관련된 비용과 환경문제 최소화 가능
- 연구팀은 ‘쇼트키 접합(Schottky Junction)’을 이용해 전자 이동을 향상시킨 고효율, 고안정성 촉매의 상용화 가능성을 확인
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국내 연구진이 바닷물을 원료로 그린수소와 산소를 발생시키는 고효율 수전해 촉매를 개발하는 데 성공
- 수전해 설비는 보통 초고순도 정제수 또는 불순물이 없는 20~30% 가성칼륨(KOH) 용액을 전해액으로 사용
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- 이론적으로 수소 1톤을 생산하기 위해서는 9톤의 정제수가, 1톤의 정제수를 얻기 위해서는 2톤의 물이 필요
- 즉 1톤의 수소 생산에 약 18톤의 물이 필요하다는 것을 의미
- 이론적으로 수소 1톤을 생산하기 위해서는 9톤의 정제수가, 1톤의 정제수를 얻기 위해서는 2톤의 물이 필요
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- 이에 무한한 수자원인 바닷물을 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해는 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화하는 것이 가능
- 그러나 환원전극에서 물 환원반응을 통해 수소가 생산되고 해수 염기성화가 진행되면서 해수에 포함된 마그네슘 양이온이 반응해 무기침전물이 형성
- 무기침전물은 해수전해의 전류밀도를 크게 감소시키고 흐름 기반 스택 개발에 걸림돌이 되는 만큼 이를 해결할 수 있는 방법이 필요
- 이에 무한한 수자원인 바닷물을 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해는 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화하는 것이 가능
- 연구팀은 기존의 수전해 시스템이 염분 없는 물(담수)을 사용했던 것과 달리 지구상에서 가장 풍부한 바닷물을 활용해 탄소 배출 없는 그린수소의 생산 가능성을 확인
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- 광주과학기술원(GIST) 화학과 서준혁 교수 연구팀은 포항공대 한정우 교수팀과 함께 ‘쇼트키 접합(Schottky Junction)’을 이용해 전자 이동을 향상시키는 기술을 개발
- 전기화학적 재구성 반응법을 이용해 금속과 반도체 물질의 이종접합을 형성
- 이종접합 시 형성된 쇼트키 접합은 고효율의 물 분해반응 촉매로 알려진 ‘니켈-텅스텐질화물’보다 2.8배 높은 전자 전달 효율
- 높은 일함수를 갖는 ‘니켈-텅스텐질화물’과 낮은 일함수를 갖는 ‘니켈-산화철수산화물’ 사이에 쇼트키 접합이 형성되고 전자를 매우 효율적으로 이동시키게 돼 전극 표면의 산소 발생 효율이 증가
- 광주과학기술원(GIST) 화학과 서준혁 교수 연구팀은 포항공대 한정우 교수팀과 함께 ‘쇼트키 접합(Schottky Junction)’을 이용해 전자 이동을 향상시키는 기술을 개발
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- 연구팀은 쇼트키 접합을 통한 효과적 전자 전달 과정이 수전해 반응 효율에 미치는 영향을 실험적으로 증명
- 해수 분해 안정성 실험 결과, 개발된 ‘이종접합 촉매’는 0.1A 기준에서 0.2V 과전압만을 필요로 하며 고가의 산화루테늄 촉매보다 더 좋은 효율의 산소발생 반응성이 표출
- 또한 ‘니켈-산화철수산화물’은 0.01A 기준에서 0.01V 과전압을 필요로 하며, 백금 촉매를 능가하는 수소발생 반응성을 확인
- 연구팀은 10일 동안 진행한 실제 바닷물 분해 반응에서 0.2V의 과전압만으로 0.1A의 높은 효율에 도달하는 실험 결과를 얻었고 고효율, 고안정성 촉매의 상용화 가능성을 확인
- 연구팀은 쇼트키 접합을 통한 효과적 전자 전달 과정이 수전해 반응 효율에 미치는 영향을 실험적으로 증명
[시사점]
- 이번 연구 성과는 수전해 촉매기술개발 연구 분야에서 전극촉매의 이종접합 계면에 쇼트키 접합을 형성하는 새로운 기술을 도입해 촉매반응 효율을 혁신적으로 향상시켰다는 데 의의
- 그러나 촉매의 효율도 중요하지만, 실제 해수를 사용할 경우 발생하는 환원전극에서의 무기침전문제를 해결하는 방법이 추가적으로 고려되어야 함
- 향후 수전해 촉매를 활용해 그린수소를 생산하거나 산소를 공급하는 설비 제작으로의 상용화 가능성이 기대
[출처]
- 인더스트리 뉴스. GIST, 고효율 수전해 촉매 개발… 바닷물로 그린수소 생산 가능성 밝혀, 2023.10.3.
- 에너지신문. ‘바닷물 수소’ 생산 걸림돌 제거 기술 개발되다, 2021.11.24.
