(왼쪽부터) 채한기 UNIST 교수, 백종범 UNIST 교수, 자페르 야부즈 KAUST 교수, 이가현 UNIST 박사, 김석진 KAUST 연구교수. 유니스트 제공
물에서 수소를 생산하는 촉매 전극을 국수 가락 뽑듯 제조하는 기술이 새롭게 개발됐다.
내구성과 반응성이 뛰어난 섬유형 수소 생산 전극을 대량으로 생산할 수 있는 길이 열렸다.
UNIST 신소재공학과 채한기 교수팀과 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 자페르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수팀과 공동으로 루테늄 촉매를 탄소섬유 안에 균일하게 넣은 섬유형 수소 생산 전극 제조 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
물을 분해해 수소를 얻는 수전해 장치의 전극은 보통 전기가 잘 통하는 기판 위에 촉매를 발라 만든다.
촉매를 바를 때 접착제를 섞게 되는데, 접착제가 촉매 표면을 가려 반응을 방해할 수 있다.
반면 탄소섬유를 얽어서 전극을 만들면 섬유 자체가 전도체 역할을 할 수 있고 섬유 사이로 물과 전해질도 잘 드나들고 생성물인 수소도 빠르게 빠져나갈 수 있다.
개발된 기술은 이러한 섬유에 촉매를 쉽게 넣어 전극을 대량 생산할 수 있는 기술이다.
섬유를 먼저 만든 뒤 촉매를 따로 입히는 방식이 아니라 촉매를 섬유 원료에 넣어 함께 뽑아내는 방식이다.
탄소섬유 원료인 고분자 용액과 루테늄 촉매 원료를 섞은 되직한 액체를 노즐로 밀어내 실처럼 뽑고 이를 열처리해 만든다.
루테늄 성분이 이 과정에서 탄소 섬유 안팎에 작은 촉매 입자로 자리 잡게 된다.
관건은 루테늄 성분이 들어간 고분자 용액을 끊기지 않고 섬유로 뽑아내는 일이었다.
탄소섬유 원료 고분자에 금속 성분을 섞으면 쉽게 뭉치거나 용액이 굳어져 작은 노즐로 길고 균일하게 뽑아내기 어렵다. 연구팀은 탄소섬유 원료 고분자와 루테늄 성분이 서로 적당히 붙도록 조절해 촉매가 고르게 섞인 상태로 섬유를 뽑을 수 있는 조건을 찾아낼 수 있었다.
연구팀은 섬유 안에 있는 촉매가 표면에 더 드러날 수 있도록 산소 플라즈마 처리를 거쳐 전극을 완성했다.
완성된 전극을 수전해 장치에 적용한 실험 결과 고전류 환경에서도 내구성이 뛰어났다.
전극은 500 mA cm²의 높은 전류 조건에서 170시간 동안 계속 작동했으며 수소 기체가 계속 발생하는 동안에도 전극 형태를 유지했다.
또 전극에 입혀진 촉매 자체의 성능을 평가하는 실험에서는 상용 백금 촉매보다 우수한 성능을 보였다.
이번 연구는 UNIST 이가현 박사, KAUST 김석진 연구교수가 제1저자로, UNIST 백인경 연구원이 공동 저자로 참여했다. 김수빈기자 gpfk2202@
댓글
0