고기능성 촉매 부착 탄소섬유 수전해 전극 개발

월간수소경제 = 박상우 기자 |  국내 연구팀이 고기능성 촉매가 부착된 탄소섬유 수전해 전극을 개발했다.

22일 UNIST는 신소재공학과 채한기 교수팀과 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 사우디아라비아의 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 연구팀과 고기능성 촉매가 부착된 탄소섬유 전극을 개발했다고 밝혔다.

현재 수전해 전극을 제조할 때 탄소분말과 같은 파우더 형태의 촉매를 전극 위에 뿌려 고착시킨다. 그러나 균일하게 바르기 어려워 분말이 뭉치거나 떨어지는 등 낮은 안정성과 내구성에 대한 문제가 발생한다.

이런 가운데 최근 학계에서 탄소섬유 기반 자가 지지형 촉매를 기반으로 한 수전해 전극이 주목을 받고 있다. 탄소섬유는 고유의 높은 내화학성, 열/전기 전도성, 대면적화 용이성 등을 가지고 있어 현재의 파우더형 촉매 전극의 안정성, 비용, 대면적화 한계를 개선할 수 있을 것으로 전망된다.

그러나 상용 탄소섬유의 표면에 수열합성, 딥코팅, 화학기상증착 등의 복잡한 공정을 통해 촉매금속을 코팅하는 방식으로 이뤄져 낮은 내구성과 높은 비용, 제조 과정에서의 유해물질 배출 등의 제약이 있다.

연구팀은 상용 탄소섬유의 제약을 극복한 탄소섬유 수전해 전극 개발에 착수했다.

연구팀은 화학반응에 참여하는 전구체 고분자로 탄소섬유 전구체인 ‘폴리아크릴로나이트릴(PAN)’을 활용했다. 폴리아크릴로나이트릴은 강도와 탄성이 우수하고 열안정성과 화학물질 내성이 뛰어나다는 특성이 있다. 특히 우수한 전기절연 능력 때문에 전기 및 전자제품, 절연제품 등에 사용된다.

연구팀은 폴리아크릴로나이트릴 표면에 화학적 촉매 역할을 할 루테늄을 붙였다. 루테늄은 고온 및 화학적 안정성이 뛰어나고 다양한 화학반응 및 촉매 작용에 활용될 수 있는 특성을 보유하고 있다.

이렇게 개발된 전극인 Ru-SFEC은 전류밀도 10mA cm–2에서 11.9mV의 낮은 과전압을 나타냈다. 수소 발생 반응이 일어나는데 필요한 최소전압(과전압)이 낮을수록 에너지 소비가 적은 고효율 촉매가 된다.

또한 상용화된 백금 파우더형 촉매가 1만 번의 작동 후 과전압이 6배 증가한 반면, 개발된 전극은 6.5%의 낮은 과전압 증가율을 나타냈다. 100배 더 긴 시간 동안 안정적으로 사용할 수 있는 것이다.

연구팀이 개발한 전극은 적은 에너지로 만들 수 있으며 폐기물이 적게 생산된다는 이점을 가진다. 개발된 전극을 실제 탄소섬유 산업에서 이용되고 있는 연속 제조 공정으로 확장해 검증했다.

본 연구에서 확보한 세미 파일럿 라인(semi-pilot line) 촉매담지 탄소섬유의 연속 생산 방식은 기술 성숙도(TRL) 6단계에 해당한다. 실제 환경에서 구현될 수 있는 정도의 기술 수준이다.

채한기 교수는 “탄소섬유 고유의 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 활용했다”며 “추후 탄소섬유가 다재다능한 전기화학 반응 소재로 활용될 수 있는 길을 열었다”고 설명했다.

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)