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친환경 ‘수전해수소’ 생산 효율 높이는 원자 재배열 기술 개발

전기를 이용해 물에서 수소를 뽑아내는 친환경 ‘수전해 시스템’ 효율을 향상할 신기술이 개발됐다. 수소 생성을 돕는 촉매의 원자를 재배열해 효율을 개선한 것이 핵심이다. 기존에 사용되는 귀금속 기반 촉매보다 수소 생성 효율을 4배 이상 향상하면서 촉매의 가격은 20% 수준으로 절감할 수 있다는 게 연구진의 설명이다.
 
전기를 이용해 물에서 수소를 추출하는 '수전해 수소'는 친환경 '그린 수소'의 하나다. 전세계 에너지 전환 흐름에 따라 물에서 친환경적으로 수소를 추출하고자 하는 관련 연구가 활발히 진행중이다. 사진은 2017년 7월 수소를 싣고 파리 센강을 항해 중인 경주용 보트 '에너지 옵저버' [AP=연합뉴스]

전기를 이용해 물에서 수소를 추출하는 '수전해 수소'는 친환경 '그린 수소'의 하나다. 전세계 에너지 전환 흐름에 따라 물에서 친환경적으로 수소를 추출하고자 하는 관련 연구가 활발히 진행중이다. 사진은 2017년 7월 수소를 싣고 파리 센강을 항해 중인 경주용 보트 '에너지 옵저버' [AP=연합뉴스]

송태섭 한양대 에너지공학과 교수 연구진은 22일 이 같은 ‘촉매 표면 부분 비정질화 기술’을 세계 최초로 개발했다고 발표했다. 해당 연구 결과는 지난 14일 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’에 발표됐다.
 
연구진은 먼저 “수소경제는 수소의 생산·저장·운송으로 구성된다”며 “그중에서도 수소를 생산하는 것은 수소 경제를 활성화하기 위한 중요기술”이라고 연구 필요성을 설명했다. 특히 문재인 정부가 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하고 2040년까지 1㎏당 수소 가격 3000원, 수소차 620만대 등 구체적 목표까지 제시함에 따라 수전해 시스템을 통해 수소 생산 단가를 절감하는 것이 필수 과제가 됐다고 연구진은 밝혔다.
 
현재 수전해, 광전기분해를 통해 생산되는 ‘그린 수소’의 가격은 1㎏당 9000~1만원으로 정유공정이나 가스개질 과정에서 나오는 ‘그레이 수소(1500~2000원/㎏)’보다 비싸 상용화에 불리한 단점이 있다. 송태섭 교수는 “국내 기업의 수전해 수소생산 효율은 약 68%로 세계 최고 효율(약 80%)보다 현저히 낮다”며 “국내에서 생산되는 그린 수소의 가격이 높은 이유는 낮은 생산 효율 때문”이라고 설명했다.
 
독일 쾰른에 있는 프랑스 에너지기업 에어리퀴드의 수소 공장. 현재로서는 가스개질, 정유과정에서 나오는 '그레이 수소'를 사용하는 것이 수소 경제의 일차적 목표로 제시되고 있다. [사진 에어리퀴드]

독일 쾰른에 있는 프랑스 에너지기업 에어리퀴드의 수소 공장. 현재로서는 가스개질, 정유과정에서 나오는 '그레이 수소'를 사용하는 것이 수소 경제의 일차적 목표로 제시되고 있다. [사진 에어리퀴드]

연구진은 이 같은 단점을 개선하기 위해 수소를 생성하는 촉매 표면의 원자를 재배열했다. 기존 촉매로 사용된 전이금속의 표면을 불소처리 한 것이 핵심이다.
 
그 결과 촉매 표면의 화학적 활성도가 높아져 수소생성 반응이 보다 활발해지는 현상이 나타났다. 화학적 활성도뿐만 아니라 물리적 활성도도 높아져 물에서 수소를 분해하는 전하를 더욱 효율적으로 공급할 수 있었다. 
 
연구진은 “이같은 ‘비정질화 촉매’ 소재를 제조할 때 기존 촉매 대비 수소생성 효율은 4배 이상, 촉매 단가는 5분의 1로 절감할 수 있다”고 밝혔다. 비정질화 촉매란 내부 원자 구조가 규칙성 없이 배열된 촉매를 말한다.
 
연구를 진행한 송태섭 교수는 “이번 개발한 원자 재배열 기술은 고효율 수소생성용 촉매뿐만 아니라 배터리·연료전지·슈퍼캐패시터 등 다양한 고부가가치 차세대 에너지 소자에 적용할 수 있을 것”이라며 “우리나라 미래 신성장 동력 창출에 기여할 수 있는 핵심 원천기술”이라고 자평했다.
 
허정원 기자 heo.jeongwon@joongang.co.kr
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