 재료연, 해수 수전해를 위한 맥신 기반의 고안정성 전극 소재 개발 맥신(MXene)으로 염소이온 발생 억제하는 복합촉매 제조 한국재료연구원(이하 재료연) 에너지·환경재료연구본부 수소·전지재료 연구팀이 신소재 ‘맥신(MXene)’을 활용해 해수 수전해의 핵심 난제인 염소이온 발생을 억제하는 복합촉매를 개발했다. 해당 연구성과는 바닷물 속에서도 안정적인 수소 생산을 도와 해수 수전해 기술의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.
정리 편집부 자료제공 KIMS
수소는 탄소를 배출하지 않는 친환경 에너지원으로 각광 받고 있지만, 수소 에너지를 얻기 위한 수전해 기술은 깨끗한 담수를 주로 활용해 생산 비용이 많이 들고 물 자원 문제도 발생한다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 바닷물을 사용하는 ‘해수 수전해 기술’이 있다.
지구상 물의 97%를 차지하는 해수를 직접 사용하면, 담수 부족 문제와 수소 생산 단가 인하의 두 가지 과제를 해결할 수 있다. 해수 수전해 기술은 무한한 해수를 활용해 지속 가능한 수소 생산을 실현하는 차세대 친환경 에너지 솔루션으로 평가받고 있다. 그러나 바닷물에 포함된 염소(Cl)이온이 수전해 전극을 쉽게 부식시켜 수소 생산 장치의 수명을 줄인다는 치명적인 문제가 있어, 이를 해결하는 것이 시급한 과제이다.
맥신 선택적 산화시켜 안정성 확보 이른바 ‘꿈의 신소재’로 불리는 맥신(MXene)은 금속과 탄소 또는 질소로 이루어진 2차원 나노 물질로, 머리카락 10만분의 1인 1나노미터(nm) 크기의 작은 물질이다. 2011년 처음 합성된 신소재로 천연 금속과 탄소, 알루미늄으로 이뤄진 ‘맥스’라는 합성물을 기반으로 한다.
맥신의 가장 큰 특징은 전기 전도도가 높다는 것이다. 기존 전극 소재인 그래핀보다 10배 정도 전도도가 높아, 이차전지의 전극으로 활용하면 용량은 늘리고 충전 시간은 줄일 수 있다. 다른 물질과 혼합하거나 금속 등에 코팅해 사용해도 성능이 떨어지지 않는다. 구성물의 조합에 따라 도체나 반도체, 자성 소재에 이르기까지 자유자재로 특성을 바꿀 수도 있다. 그러나 산소나 물에 반응성이 높고 산화에 취약해 장기간 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
수소·전지재료연구센터 양주찬 박사 연구팀은 맥신을 오히려 선택적으로 산화시켜 안정적인 전도성 구조를 형성하고, 고에너지 볼밀링 공정을 통해 산소 발생 촉매인 니켈페라이트(NiFe2O4)와 결합한 전극 복합촉매를 제조했다. 개발된 복합촉매는 기존 촉매 대비 전류밀도가 약 5배, 내구성이 2배 향상됐다. 또한, 염소이온에 대한 반발성이 우수해 전극이 부식되는 문제를 효과적으로 해결했다.
연구팀은 이 과정으로 높은 균일성과 재현성을 확보해 대량 생산이 가능한 기술적 기반을 마련했다. 또한 실험실 수준의 촉매 성능 평가를 넘어, 실제 수전해 단위셀(unit cell)에서도 성능을 검증하며 실용화 가능성을 입증했다.
“기존 맥신 기반 소재의 한계 극복” 의의 해당 기술은 맥신의 전도성과 내구성을 동시에 확보하면서 해수 수전해 전극에 적용할 수 있도록 만들어, 기존 맥신 기반 소재의 한계를 극복했다는 점에서 큰 의미가 있다. 또한, 해수 수전해의 부식 문제를 억제한 고성능 전극 소재를 개발함으로써 실용화를 앞당기고 글로벌 수소 생산 인프라 확산에 기여할 것으로 기대된다.
연구책임자인 양주찬 박사는 “이번 연구는 신소재 맥신을 활용해 바닷물 속 염소이온 문제를 해결한 데 의미가 있다”며, “지속 가능한 수소 생산 기술로 이어질 수 있도록 후속 실증 연구도 활발하게 진행 중”이라고 전했다.
한편, 해당 연구는 한국에너지기술평가원과 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐으며, 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 송현곤 교수팀과의 협력으로 이뤄졌다. 연구 결과는 나노과학 분야에서 권위 높은 학술지인 《에이씨에스 나노(ACS Nano, IF:16))》에 지난 6월 30일 게재됐다.
<Energy News>
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