□ 국내 연구진이 유휴전력으로 친환경 수소를 저렴하게 분산·독립적으로 생산 하는 수전해 기술을 개발해

    막대한 에너지 관리 비용을 줄일 수 있는 단초를 제공하게 됐다.

    * 유휴 전력: 재생에너지로 생산된 전력이 계통에 연계되지 못해 버려지는 전력, 2017년 독일

      ​(재생에너지 발전 비중 30%)의 경우 4.65 TWh의 전력이 버려졌음.

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□ 재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀은 청정 수소를 생산할 수 있는

    수전해 시스템의 효율과 내구성을 증가시키는 역할을 하는 고효율 비귀금속 촉매를 저가로 합성

    가능한 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발했다.

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□ 온실가스 저감을 위한 신기후체제 출범 후, 전 세계는 무한 재생산 가능한 수소에너지에 대한 관심을

    높여가고 있다. 하지만 현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료를 기반(개질 수소, 부생 수소 등)으로

    하고 있어, 진정한 의미의 청정 에너지원이라고 부르기는 어렵다.

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□ 반면에 버려지는 유휴(또는 예비)전력으로 물을 전기분해하여 생산되는 수소는 사용 후 다시 물로

    되돌아가기 때문에 완전한 청정 에너지원이다. 이를 생산하기 위한 수전해 시스템 중 하나인 음이온

    ​교환막 수전해는 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있지만 사용되는 촉매의 활성과 내구성이

    낮은 단점이 존재한다. 이로 인해 여전히 산소발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물(IrO2) 또는

    ​수소발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담지된 백금(Pt/C)을 사용하는 한계를 보여주고 있다.

    * 음이온교환막수전해(anion exchange membrane water electrolyzer): 음이온교환막 수전해는 기존의

      알칼리수용액수전해, 양이온교환막수전해의 장점을 동시에 취할 수 있다는 장점이 있다. 저렴한

      비귀금속 촉매를 사용하여 높은 에너지밀도로 고순도의 수소를 고압으로 생산할 수 있으며, 시스템

      단가가 저렴하고 컴팩트 하기 때문에 독립·분산형 수소 생산에 적합하다.

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□ 연구팀은 이를 해결하기 위해 저가의 고성능/고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를

    개발하였다. 재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판위에 바로 증착됨으로서 촉매

    합성공정을 단순화 하였다.

​  ㅇ 연구팀은 변수가 많고 시행착오적 연구에 기반을 둔 기존의 ‘전극 제조 공정(촉매 합성-촉매 슬러리-

    ​전극 코팅)’을 벗어나, 단일 원소가 아닌 Cu, Co를 동시에 2원계로, Cu, Co, P를 동시에 3원계로 2차원

    ​나노 구조 형상으로 전극 기판에 직접 전착(electrodeposition)할 수 있는 원스텝 공정을 개발했다.

    * 전착 (electrodeposition): 기판을 전구체 용액에 담그고 기판에 전기를 가하면 기판위의 환경이

      알칼리 분위기로 변하거나 또는 환원 분위기가 되어 전구체가 나노구조를 갖는 수산화물의 형태로

      증착 되거나 금속으로 도금이 된다.

   ㅇ 이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고 기존 공정에 사용되는 접착제

     ​(binder)를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다. 뿐만 아니라, 수소 발생의 주요 저항 중

     하나인 물질 전달 저항을 감소시켜 수소 및 산소 발생 효율과 내구성을 비약적으로 향상시켜 기존

     귀금속 이리듐 산화물 촉매에 버금가는 우수한 특성을 보여주었다. 후속연구를 통해 이리듐 산화물

     촉매보다 1.5 배 우수한 활성의 촉매를 개발하였고 관련 연구 결과를 논문에 투고 하였다.

     * 물질전달저항 (mass transfer resistance): 전기가 가해지면 촉매 표면에서 물의 흡착과 산소의

        발생이 동시에 일어나게 된다. 촉매 표면에서 발생된 산소가 제거 되어야지만 그 촉매 표면에 다시

        물이 흡착을 하게 되어 반응이 원활히 일어나게 된다. 하지만, 촉매 구조와 전극 구조, 기공 구조,

       ​촉매 표면 특성, 물의 흐름, 확산층의 특성 등에 의해 발생된 산소가 원활히 제거 되지 못하게 되면

       물이 흡착할 수 없게 되고 반응은 천천히 일어나게 된다. 이와 같은 물질전달저항은 높은 전압,

       ​전류에서 산소가 많이 발생할 때 더 뚜렷해진다.

   ㅇ 또한, 실제 상황에서 개발된 촉매의 성능을 평가하기 위해 자체적으로 개발한 단위셀에서 평가를

     진행하였고 더 나아가 상용화 가능 단계인 스택에서의 실증 연구를 진행하고 있다.

     * 단위셀(single cell): 실제 시스템에 장착되는 상용화 스택을 모사 할 수 있는 작은 면적의 셀이다.

       ​이를 통해 실제 환경에서의 성능을 예측할 수 있다.

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□ 수소 관련 세계 시장은 2018년 기준 약 1,460억불(USD)의 천문학적인 규모로 연평균 8%씩 증가해

    ​2023년에는 약 2,000억불 규모로 성장할 것으로 예상된다. 본 기술 개발을 통해 재생에너지 발전 비중

    증가에 기여하고, 동시에 버려지는 유휴전력을 활용해 수소를 생산(수전해)-저장(수소저장합금 또는

    용기)-활용(연료전지) 할 수 있는 수소에너저저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

    ​이를 통해 중앙 집중-분배 방식의 수소가 아니라 활용하는 곳에서 바로 수소를 생산할 수 있어 국가

    전체 에너지 관리 효율을 크게 증가시켜 막대한 에너지 관리 비용을 줄일 수 있다. 또한, 대부분 수입에

    의존하는 에너지 전환 촉매 분야에서 국산화에 의한 수입 대체 효과 뿐만 아니라 해외로의 수출도 가능할

    것으로 전망된다.

    * 수소에너지저장시스템 (hydrogen energy storage system): 기존의 배터리 에너지저장시스템을 보완

      또는 대체 할 수 있는 시스템으로 유휴전력을 수전해를 통해 수소로 안전하게 저장했다가 전력 수요가

      생길 경우 저장된 수소를 활용하여 연료전지를 통해서 전력을 공급할 수 있는 에너지저장 시스템 이다.

      이 시스템이 각 가정에 보급되면 생산된 수소를 이용하여 가정에서 수소전기차를 충전 할 수 있다.

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□ 연구책임자인 재료연구소 최승목 선임연구원은 “본 기술을 통해 높은 수소 발생 효율을 보이는 저가의

    비귀금속 촉매 전극을 원스텝으로 재현성 있게 대면적으로 제작하는 것이 가능해졌다.”면서, “이를 통해

    저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

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□ 본 연구 성과는 재료연구소의 자체연구사업, 한국에너지기술평가원의 신재생에너지융합원천기술개발

    사업의 지원을 받아 수행됐다.

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□ 또한, 연구팀은 관련 연구결과를 미국화학회(American Chemical Society)의 에이씨에스 어플라이드

    머테리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)(제1저자 재료연구소 장명제)와 에이씨

    에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)(제1저자 재료

    연구소 박유세)지에 표지논문으로 게재했으며, 관련 원천특허를 출원하고 시스템 실증을 위한 후속

    연구와 상용화를 위한 기술이전을 진행 중에 있다.