□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 지구․환경공학부 이재영 교수팀이 흑연화된 카본양극을 이용하여 고순도 수소생산공정 중 하나인 알카리 물의 전기분해*의 난제인 산소발생 효율을 개선하는데 성공했다.

* 알카리 물의 전기분해: 물을 1.23V(DC 전원) 이상의 전기에너지로 분해하여 초고순도 수소와 산소를 만드는 전기화학 공정 중에 하나로 귀금속 촉매를 사용하지 않아 경제적이고 대규모 수소생산에 적합.

□ 천연가스인 메탄가스를 고온‧고압에서 수증기로 분해하여 수소를 생산하는 공정에 비해 전기화학 공정의 양극재료로 저가의 비금속 촉매를 사용하여 높은 수소 생산단가를 낮춰 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

∘ 물의 전기분해에 사용되는 일반적인 양극재료로 활성탄소에 담지된 이리듐 귀금속 촉매를 사용하는데 최근 이리듐은 수요가 많아져서 백금과 유사하게 고가로 거래된다는데 단점이 있다.

□ 연구팀은 전기방사법을 이용하여 카본섬유 내부와 외부에 코발트 입자를 골고루 위치시키고, 화학적 리칭(leaching)** 공정으로 완벽히 코발트입자를 제거함으로써 고효율 산소발생에 적합한 메조기공 및 흑연구조를 선택적으로 형성시킬 수 있었다.

∘ 물의 전기분해 공정은 음극에서의 수소발생과 양극에서의 산소발생이 커플 반응으로 일어나게 된다.음극재료는 탁월한 성능의 촉매가 다수 이미 개발되어 있지만 양극재료는 이리듐 기반 귀금속을 사용하더라도 과전압이 높고 동역학이 느리다는 문제점을 가지고 있다.

** 광석이나 배소광(焙燒鑛)에 함유된 금속·금속광물 등의 특정한 성분을 산·알카리 등의 용매로 녹여 남아 있는 고체로부터 분리시키는 일로서 광석에서 구리·아연·우라늄 등의 금속원소를 추출하는 방법

□  이재영 교수팀은 흑연화된 양극이 산소발생 활성과 내구성을 모두 확보할 수 있는 촉매임을 규명하였고,단순히 촉매의 특성만을 측정하는 것에서 벗어나 음이온교환분리막이 적용된 zero-gap 셀***로 실질적인 물의 전기분해 공정효율 개선까지 제시하여 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

*** zero-gap 셀: 양극, 이온교환막, 음극을 일체형으로 접합시켜 계면의 틈을 100%에 가깝게 제거한 전기화학 반응 셀.  

□ GIST 지구·환경공학부 이재영 교수(교신저자)가 주도하고 신동윤 박사 (1저자)가 수행한 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(KETEP)과 GIST 차세대에너지연구소의 지원을 받았으며 촉매화학, 에너지화학, 물리화학 분야의 국제학술지인 영국 RSC 물리화학-화학물리(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP) 9월 7일자 Issue 33에 2017 PCCP HOT Articles로 게재되었다. <끝> 

(논문명 : A graphitic edge plane rich meso-porous carbon anode for alkaline water electrolysis)