기존 소재 대비 전류밀도 5배, 내구성 2배 향상, 해수 수전해 실용화 앞당겨

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 수소·전지재료연구센터 양주찬 박사 연구팀이 신소재 맥신(MXene)을 활용해 해수 수전해의 핵심 난제인 염소이온 발생을 억제하는 복합촉매를 개발했다. 본 연구성과는 바닷물 속에서도 안정적인 수소 생산을 도와 해수 수전해 기술의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.

수소는 탄소를 배출하지 않는 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 수소 에너지를 얻기 위한 수전해 기술은 깨끗한 담수를 주로 활용해 생산 비용이 많이 들고 물 자원 문제도 발생한다. 이와 같은 단점을 보완한 해수 수전해 기술(바닷물을 곧바로 사용하는 수전해 기술)이 있지만, 바닷물에 포함된 염소(Cl) 이온이 수전해 전극을 쉽게 부식시켜 수소 생산 장치의 수명을 줄인다는 치명적인 문제가 있다.

맥신은 금속과 탄소 또는 질소로 이루어진 2차원 나노 물질로, 뛰어난 전기전도성을 가지고 있으며, 다양한 금속화합물과 조합할 수 있어 전극 소재로 활용하기 적합하다. 반면 산소나 물에 반응성이 높고 산화에 취약해 장기간 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.

따라서 연구팀은 맥신을 오히려 선택적으로 산화시켜 안정적인 전도성 구조를 형성하고 고에너지 볼밀링 공정을 통해 산소 발생 촉매인 니켈 페라이트(NiFe2O4)와 결합한 전극 복합촉매를 제조했다. 개발된 복합촉매는 기존 촉매 대비 전류밀도가 약 5배, 내구성이 2배 향상됐다. 또한, 염소이온에 대한 반발성(밀어내는 성질)이 우수해 전극이 부식되는 문제를 효과적으로 해결했다. 연구팀은 이 과정으로 높은 균일성과 재현성을 확보해 대량 생산이 가능한 기술적 기반을 마련했다. 또한 실험실 수준의 촉매 성능 평가를 넘어 실제 수전해 단위셀(unit cell)에서도 성능을 검증하며 실용화 가능성을 입증했다.

본 기술은 맥신의 전도성과 내구성을 동시에 확보하면서 해수 수전해 전극에 적용할 수 있도록 만들어 기존 맥신 기반 소재의 한계를 극복했다는 점에서 큰 의미가 있다. 또한, 해수 수전해의 부식 문제를 억제한 고성능 전극 소재를 개발함으로써 실용화를 앞당기고 글로벌 수소 생산 인프라 확산에 기여할 것으로 기대된다.

연구책임자인 KIMS 양주찬 책임연구원은 “이번 연구는 신소재 맥신을 활용해 바닷물 속 염소 이온 문제를 해결한 데 의미가 있다”며, “지속 가능한 수소 생산 기술로 이어질 수 있도록 후속 실증 연구도 활발하게 진행 중이다”고 말했다.