우리대학 조원철 교수가 포함된 연구팀의 차세대 알칼라인 수전해 분리막 기술에 대한 연구 결과가 올해 4월 26일(금),  『Chemical Reviews』에 게재되는 성과를 이뤘다. 해당 학술지는 미국화학회가 발간하는 학술지로 관련 분야 최상위 권위자들이 연구 동향과 전망을 체계화해서 제시하는 영향력이 큰 저널이다. 

조원철 교수, 한국과학기술연구원의 Dirk Henkensmeier 책임연구원 공동 연구진은 대표적인 알칼라인/AEM 수전해 분리막에 대해 연구를 진행했다. 연구진은 다이아프램 분리막(Diaphgram membrane), 이온 음이온 교환막(AEM), 이온 용해막(ISM)의 특성, 개발 현황 및 미래 개발 전략을 총정리해서 발표했다. 알칼라인/AEM 수전해는 값비싼 귀금속 촉매를 사용하는 PEM 수전해와 달리 저렴한 전이 금속 기반 소재 사용이 가능해 가격 경쟁력 측면에서 장점을 가지고 있다. 거기다 오랜 기간 안정적인 운전이 가능해 그린수소 생산 기술을 선도할 기술로 평가받고 있다. 

하지만 여전히 그린수소 가격은 높은 편으로($7~12/kg) 수소 경제 실현은 아득히 먼 상태이다. 수소 생산량을 높이는 과정에서 분리막에서 발생하는 에너지 손실이 여전히 커서 비용이 상승하기 때문이다. 이 기술적 난제를 해결하고 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 보다 혁신적인 분리막 개발이 필요하다. 다이아프램 분리막, 이온 음이온 교환막, 이온 용해막 등 현재 상용화에 근접한 알칼라인 수전해 분리막 중에서 모든 복합적 요건을 만족하는 분리막은 부재한 실정이다. 이를 해결하기 위해 전 세계가 가격경쟁력, 수명 등 상업화에 적합한 수전해 분리막 개발을 위해 많은 연구를 진행 중이다. 

조원철 교수는 상용화가 된 다이아프램막의 연구동향과 한계 극복 전략을 제시했다. 다이아프램막은 우수한 내구성에 비해 과전압이 높고 가스 혼합의 문제점이 있었다. 하지만 나노 기공 구조를 극대화해 표면의 고분자층을 제거하면 문제점을 극복할 수 있음을 보여줬다. 또한, 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 나노 촉매가 직접 코팅된 다이아프램막 개발 전략을 발표했다. 

같은 연구팀의 한국과학기술연구원의 Dirk Henkensmeier 책임연구원은 새로운 ISM의 기준을 제시했다. ISM이란 이온 전도성을 확보하기 위해 KOH 전해질이 함침된 소재를 말하며 최소 20wt%의 고농도 KOH가 필요했다. 하지만 차세대 ISM은 내구성이 낮은 4차 암모늄 그룹의 도입을 과감히 탈피하고 저농도(~5wt%)에서도 우수한 성능을 보여줬다.

조원철 교수는 “알칼라인 수전해 분리막은 일부 상용화의 진전을 이뤘으나 아직 개선해야할 점이 많다”고 말하며 분리막 연구의 현 상황을 평가했다. 하지만 “이번 연구는 국내 연구자와 국제공동 연구의 결과로 알칼라인 수전해의 현재 한계점과 향후 극복 방법의 핵심적인 원리와 그 활용을 체계적으로 정리했다는 점에서 의의가 크다”며 이번 연구에 대한 긍정적 평가를 했다.

이준석 수습기자

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