켄텍 김창희 교수팀, 그린수소 상용화 앞당겨

니켈-코발트인 이종접합계면 형성을 활용한 고효율 수소 발생 메커니즘 모식도

(왼쪽부터) 심준석 연구원, 김완식 박사, 김창희 교수

한국에너지공과대학교가 그린수소 상용화를 앞당길 성과를 내 눈길을 끈다.

10일 켄텍에 따르면 에너지공학부 김창희 교수 연구팀이 부하변동 조건에서도 안정적인 성능을 유지하는 고효율 알칼라인 수전해 전극을 개발했다.

또 대면적에서도 균일한 구현이 가능한 공정 기술도 확보했다.

이번 연구 성과는 기존 전극들이 재생에너지 연계 운전 시 겪는 열화 문제를 극복하고, 그린수소 산업의 경제성 확보와 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다는 점에서 의미가 크다.

알칼라인 수전해는 높은 기술 성숙도를 바탕으로 그린수소 생산 분야의 핵심 기술로 주목받아 왔지만, 재생에너지 연계 시 발생하는 부하변동 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 전극 개발은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.

기존 상용 전극이 간헐적인 운전 환경에서 반복적인 작동과 정지를 거치며 구조적 부식과 화학적 상변화를 겪는 한계를 보여왔기 때문이다.

특히 수소극이 운전 정지 상태에 반복적으로 노출될 경우, 계면에서 전해질과의 산화 반응이 촉진되어 전극 표면의 화학적 상변화가 가속화된다.

이는 전극의 반응 활성도를 점진적으로 저하시켜 효율 감소를 유발할 뿐 아니라, 장기적으로는 전극 수명 단축까지 초래하는 주요 원인으로 작용한다.

이 같은 한계를 극복하기 위해 연구팀은 코발트-인에 니켈을 도입하여 서로 다른 물성이 맞닿는 이종접합(hetero-junction) 구조의 수소 발생 전극을 설계했다.

밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT) 계산을 통해 해당 전극의 구조적 안정성을 이론적으로 규명하는 한편, 전기화학적 실험을 통해 부하변동 조건에서의 우수한 내구성도 검증했다.

개발된 니켈-코발트-인 전극은 재생에너지의 출력 변동을 모사한 온·오프(On/Off) 운전 조건에서도 성능 저하가 거의 나타나지 않았으며, 기존 니켈 기반 상용 전극 대비 열화율(degradation rate)이 20% 이상 감소하는 결과를 보였다.

성능 향상의 배경에는 정교한 전자 구조 제어가 자리하고 있다.

기존 코발트-인 기반 촉매는 코발트의 높은 수소 흡착 에너지로 인해 반응 속도를 획기적으로 끌어올리는 데 한계가 있었다.

그러나 니켈 도입으로 형성된 이종접합 계면이 전자 구조를 효과적으로 재조정하며 이러한 제약을 극복했다.

그 결과 수소 발생 반응에 필요한 활성화 에너지가 낮아지고, 반응 중간체의 형성과 탈착이 원활해지면서 반응 활성도가 크게 향상됐다.

실험 결과, 개발된 전극은 알칼라인 수전해 단일 셀에서 약 86%의 효율(전류밀도 0.4 A/㎠)을 달성하며, 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.

김창희 교수는 “이번 연구는 수전해 전극 촉매의 단순한 성능 개선을 넘어 재생에너지 연계 가능성과 대면적 전극 제조 기술까지 동시에 확보했다는 점에서 산업적 파급력이 크다”며 “향후 그린수소 생산 비용 절감과 효율 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.