채한기(왼쪽부터) UNIST 교수, 백종범 UNIST 교수, 자페르 야부즈 KAUST 교수, 이가현 UNIST 박사, 김석진 KAUST 연구교수.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 수소를 생산하는 촉매 전극을 국수 가락 뽑듯 대량 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

UNIST(울산과학기술원) 신소재공학과 채한기 교수팀과 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 자페르 야부즈 교수팀과 공동으로 루테늄 촉매를 탄소섬유 안에 균일하게 넣은 섬유형 수소 생산 전극 제조 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해 장치의 효율과 수명은 수소 발생 반응이 일어나는 전극의 성능에 크게 좌우된다. 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. 또 장시간 구동 중 촉매가 뭉치고 떨어져 나가는 문제가 있었다.

반면 탄소섬유를 얽어서 전극을 만들면 섬유 자체가 전도체 역할을 할 수 있고, 섬유 사이로 물과 전해질도 잘 드나들고, 생성물인 수소도 빠르게 빠져나갈 수 있다.

이번에 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.

루테늄 내장형 탄소섬유 전극(Ru-EFEC)의 전구체 (원료)용액 설계와 제조 공정.[UNIST 제공]

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.

채한기 교수는 “이번 기술은 금속 촉매를 탄소섬유 안에 균일하게 넣어 전극의 구조적 안정성을 높인 것이 특징”이라며 “향후 수소 생산, 연료전지, 에너지 저장장치 등에서 내구성이 높은 섬유형 전극 소재로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 교육부가 지원하고 한국연구재단이 주관하는 중견연구자 지원사업, 리더연구자지원사업 지원으로 수행된 이번 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 나노·소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 5월 19일 출판됐다.