25cm² 면적 3-스택 수전해 셀의 구성요소(왼쪽), 수전해 운전 중 모습(오른쪽) / 사진. 서울공대
서울대학교 공과대학 화학생물공학부 윤제용·류재윤 교수 연구팀이 건국대학교 이장용 교수팀과 공동으로 고가의 귀금속 촉매 없이도 고효율 수소 생산이 가능한 수전해 운전 기술을 개발했다고 5월 29일(수) 밝혔다.
연구팀은 기존 수전해 시스템에서 고가의 촉매 제조 공정 없이도 상용 니켈(Ni) 전극만을 이용해 고성능·고내구성을 구현할 수 있는 전기화학적 활성화 운전법(EA 운전)을 독자적으로 고안했다. 이 기술은 수소 생산 핵심 반응인 산소 발생 반응(OER)에서 니켈-철 수산화옥시화물(NiFeOOH) 수준의 효율을 달성하면서도 장기간 안정적인 운전이 가능한 것이 특징이다.
핵심 기술은 ‘동적 분극 제어(Dynamic Polarization Control)’ 방식으로, 전극에 간헐적으로 약한 환원 전압을 가해 전해질 내 미량의 철(Fe)을 전극 표면에 유도 침착시키는 방식이다. 이를 통해 전극 스스로 고활성 촉매층을 형성하고, 반복 작동을 통해 자가 회복하는 기능까지 확보하게 된다.
해당 운전 기술이 적용된 수전해 셀은 1A/㎝² 고전류 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했으며, 25㎝² 면적의 3스택 셀 구성에서도 수백 시간 운전을 유지하며 우수한 내구성을 입증했다.
이번 연구성과는 세계적 학술지*네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)*에 ‘Dynamic polarization control of Ni electrodes for sustainable and scalable water electrolysis under alkaline conditions라는 제목으로 지난 5월 23일(금) 게재됐다.
윤제용 교수는 “촉매에 의존하지 않는 수소 생산법은 그린수소의 경제성과 확장성을 획기적으로 높일 수 있는 전략”이라며 “이번 성과는 탄소중립을 위한 수소경제 기술의 실질적 전환점이 될 것”이라고 말했다.
류재윤 교수는 “이번 연구는 단순 운전 조건 개선이 아니라, 전극과 전해질 간의 전기화학적 상호작용을 이론과 실험 양면에서 입증한 사례”라며 “기초 원리의 해석과 산업적 적용 가능성을 동시에 확보한 원천기술”이라고 평가했다.
