해수에서도 고효율 수소 생산? 차세대 물 분해 촉매 전극 개발

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 화석 연료 사용으로 인한 이산화탄소 배출 및 지구 온난화 문제가 심각해지면서, 탄소 배출 없는 새로운 에너지 생성 기술의 필요성이 대두되었습니다.
• 기존의 비(非)탄화수소 에너지원인 원자력 발전은 폐기물 처리 문제를, 태양광 발전은 날씨의 영향을 많이 받는 단점을 가지고 있습니다.
• 수소 에너지는 물을 원료로 하여 자원 고갈 우려가 적지만, 폭발성으로 인한 보관의 어려움과 물 분해 과정에 많은 에너지가 필요하다는 한계가 있습니다.

기술의 필요성

• 수소 생산의 에너지 효율을 높이고 비용을 절감하기 위해 고성능의 물 분해 촉매 개발이 필수적입니다.
• 기존 연구(Yu, Luo, et al., 2017)는 NiFe LDH(이중층 수산화물)를 활용했지만, 본 발명에서 제시하는 인화(Phosphidation)된 NiFeP 촉매를 이용한 물 분해 기술은 다루지 않아, 새로운 접근 방식의 촉매 전극 기술이 필요했습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 다공성 금속 폼 위에 금속 나노와이어를 성장시키고, 그 표면에 다시 금속 이중층 수산화물을 형성한 계층적 나노구조의 전극입니다.
• 다공성 금속 폼: 전극의 기판 역할을 하며, 전자를 공급하고 전체 구조를 지지합니다.
• 금속 나노와이어: 넓은 표면적을 제공하여 촉매 반응이 일어날 수 있는 활성 영역을 극대화합니다.
• 인화된 금속 이중층 수산화물 (NiFeP): 물 분해 반응의 핵심 촉매 역할을 하며, 인화 과정을 통해 전기 전도성과 촉매 활성 사이트 수를 증가시켜 효율을 높입니다.

구체적인 구현 방법

1. 다공성 Cu 폼 세척: 다공성 구리(Cu) 폼을 염산(HCl), 에탄올, 탈이온수로 세척합니다.
2. Cu(OH)₂ 나노와이어 형성: 세척된 Cu 폼을 NaOH 및 (NH₄)₂S₂O₈ 용액에 담가 표면에 수산화구리(Cu(OH)₂) 나노와이어를 성장시킵니다.
3. Cu 나노와이어로 환원: Cu(OH)₂ 나노와이어를 열처리하여 산화구리(CuO) 나노와이어로 만들고, 이를 다시 전기화학적으로 환원시켜 순수한 Cu 나노와이어를 얻습니다.
4. NiFe-LDH 형성: Cu 나노와이어가 형성된 폼 위에 Ni(NO₃)₂와 Fe(NO₃)₃ 전해질을 이용해 전기 증착 방식으로 니켈-철 이중층 수산화물(NiFe-LDH)을 형성합니다.
5. 최종 촉매 전극(NiFeP) 형성: 중간 물질인 NiFe-LDH/Cu NW/Cu 폼을 NaPO₂H₂와 함께 아르곤(Ar) 분위기 하 350℃에서 반응시켜 최종 목표물인 인화된 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 전극을 완성합니다.

기술의 장점

• 우수한 내구성: 바닷물을 최소 30시간 이상 안정적으로 전기 분해할 수 있습니다.
• 저렴한 제조 비용: 고가의 백금(Pt) 촉매 대신 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe) 등 저렴한 비귀금속을 사용하여 백금 촉매보다 우수한 성능을 구현합니다.
• 높은 물 분해 효율: 인화된 금속 이중층 수산화물 구조 덕분에 전자의 이동 속도가 빨라져 물 분해 효율이 크게 향상됩니다.
• 해수 적용 가능 및 친환경성: 담수뿐만 아니라 해수에서도 부식 없이 작동하며, 해수 전기 분해 시 유해한 염소 가스가 발생하지 않습니다.
• 쉬운 대면적화: 제조 방법이 간단하여 전극 크기에 제한 없이 넓은 면적의 전극도 쉽게 제조할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 새롭게 개발된 'NiFeP/Cu NW/Cu Foam' 촉매 전극이 기존의 촉매들(탄소섬유종이, 구리 폼, 백금 기반 촉매 등)에 비해 수소 발생 반응(HER)에서 얼마나 우수한 성능과 안정성을 보이는지 정량적으로 평가하고 입증하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 전극 구성: 본 발명에 따른 'NiFeP/Cu NW/Cu Foam'을 음극(-)으로, 'NiFe-LDH/Ni Foam'을 양극(+)으로 사용합니다.
2. 전해질 조건: 25℃의 1M KOH 용액(기본), 25℃의 해수 모방 용액(1M KOH + 0.6M NaCl), 100℃의 KOH 용액, 100℃의 해수 모방 용액 등 다양한 환경에서 실험을 진행합니다.
3. 성능 측정: 각 조건에서 분극 곡선, 타펠 플롯, 임피던스(나이퀴스트 선도) 등을 측정하여 촉매의 활성도, 반응 속도, 전하 전달 저항을 분석합니다.
4. 비교 평가: 탄소섬유종이(CFP), 순수 Cu 폼, NiFeP/CFP, 상용 Pt/C 촉매 등 다양한 비교군 전극과 성능을 비교합니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명에 따른 NiFeP/Cu NW/Cu Foam 전극은 모든 측정 항목에서 비교군 대비 월등한 성능을 보였습니다. 특히, 촉매 반응 속도를 나타내는 타펠 기울기와 전하 전달 효율을 의미하는 임피던스에서 큰 차이를 나타냈습니다.

또한, 본 발명의 촉매는 가혹한 조건인 고온의 해수 환경에서도 성능이 저하되지 않고 오히려 향상되는 결과를 보였습니다. 이는 실제 해수를 이용한 그린수소 생산 시스템에 직접 적용될 수 있는 높은 잠재력을 시사합니다.

안정성 테스트에서 본 발명의 전극은 2.6V의 전압을 1시간 동안 연속적으로 인가해도 해수에서 염소(HClO, OCl⁻) 이온이 검출되지 않아 높은 수소/산소 선택성을 입증했습니다. 최종적으로 태양전지와 연결한 실제 구동 테스트에서 19.85%의 높은 태양광-수소 전환 효율(ηSTH)을 기록했으며, 산소(O₂)와 수소(H₂) 생성에서 각각 99.3%와 99.2%의 패러데이 효율을 달성하여 매우 안정적이고 효율적인 수소 생산이 가능함을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 그린수소 생산 시스템의 핵심 전극 소재로 활용
• 해수를 직접 이용하는 해상 수소 생산 플랜트 적용
• 태양광 등 재생에너지와 연계한 P2G(Power-to-Gas) 시스템 구축
• 소규모 분산형 수소 충전소 및 비상 발전 시스템의 수소 공급 장치

기대효과

• 경제적 효과: 고가의 귀금속 촉매를 대체하여 수전해 시스템의 전체 제작 비용을 획기적으로 절감할 수 있습니다.
• 기술적 효과: 높은 효율과 안정성을 바탕으로 수소 생산 기술의 국산화 및 기술 경쟁력 확보에 기여합니다.
• 환경적 효과: 담수 자원 소모 없이 풍부한 해수를 활용하여 친환경 그린수소를 생산함으로써 탄소 중립 실현에 기여합니다.
• 산업적 효과: 수소 생산, 저장, 활용으로 이어지는 수소 경제 생태계 전반의 성장을 촉진하고, 관련 신산업 창출을 유도합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

수소 경제의 핵심인 그린수소 시장은 폭발적인 성장이 예상됩니다. 글로벌 그린수소 시장은 2030년 약 6,420억 달러 규모에 이를 것으로 전망되며, 특히 아시아 지역이 전체 시장의 약 55%를 차지할 것으로 예측됩니다. (출처) 그린수소 생산의 핵심 설비인 수전해 장치 시장 역시 2021년 8.86억 달러에서 2031년 99.97억 달러 규모로 10배 이상 급격히 성장할 것으로 예상됩니다. (출처)

• 전 세계 수소 수요: 2024년 9,600만 톤 → 2030년 2억 톤 → 2040년 4억 톤으로 급증 전망
• 글로벌 수전해 설비 용량: 2023년 약 1GW → 2030년까지 300GW 이상으로 성장 잠재력 보유

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 수전해 시스템 시장은 기술 성숙도에 따라 다양한 기술들이 경쟁하고 있습니다. 가장 성숙한 알칼라인(LA) 방식이 시장의 대부분을 차지하고 있으나, PEM, AEM 등 차세대 기술들이 빠른 속도로 점유율을 높여가고 있습니다. 본 발명은 특히 저렴한 비귀금속 촉매를 사용하므로, 가격 경쟁력이 중요한 알칼라인 및 AEM 수전해 시스템에 적용될 경우 시장 판도를 바꿀 잠재력을 가집니다. (출처)

산업 동인 및 기회 요인

1. 강력한 정부 정책 지원: 한국 정부의 '수소경제 활성화 로드맵', 미국의 '청정에너지 혁신', EU의 대규모 예산 증액 등 각국 정부가 수소 경제를 미래 핵심 산업으로 지정하고 강력한 지원책을 펼치고 있습니다. (출처)
2. 탄소중립 목표 달성을 위한 필수 기술: 2050 탄소중립 목표를 달성하기 위해 산업, 발전, 수송 등 전 분야에서 화석연료를 대체할 그린수소의 역할이 필수적입니다.
3. 재생에너지 보급 확대: 태양광, 풍력 등 간헐성이 큰 재생에너지의 보급이 확대되면서, 잉여 전력을 수소로 저장하는 P2G 기술의 중요성이 커지고 있으며, 이는 고효율 수전해 기술의 수요 증가로 이어집니다. (출처)