한국화학연구원의 이장용 책임연구원이 이끄는 연구팀이 친환경적인 방법으로 수소를 생산할 수 있는 새로운 음이온교환막 소재를 개발했다. 이 새로운 소재는 기존 제품보다 10배 향상된 내구성을 자랑한다. 이는 수소 생산의 상용화를 가속화할 수 있는 큰 발전으로 평가된다.

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 이 과정에서 발생하는 수소는 ‘그린 수소’로 분류된다. 현재 이 분야에서는 알칼라인 수전해 기술이 주로 사용되고 있다. 하지만 그 효율성과 수소의 순도 면에서 한계를 보이고 있다. 이에 대한 대안으로 음이온교환막 수전해 기술이 주목받고 있다. 그러나 상용화를 위한 핵심 장벽 중 하나는 소재의 내구성이었다.

이번에 개발된 고분자량화 폴리카바졸계 음이온교환 소재는 기존 대비 10배 강화된 내구성을 제공한다. 그리고 이온전도도 또한 기존 소재보다 20% 높은 성능을 보였다. 연구팀은 이 소재를 이용해 제작한 음이온교환막과 셀을 통해 고온의 알칼리 용액에서도 이온전도도가 100% 유지되는 것을 확인했다. 이는 기존 소재가 저농도 알칼리 용액에서조차 1000~3000시간 후 60~97%로 떨어지는 성능 저하를 크게 개선한 결과다.

이 소재를 사용한 수전해 셀은 1000시간의 연속 운영 후에도 성능 저하가 거의 없었다. 수소 생산 효율을 나타내는 전류 밀도는 ㎠당 14.6A로 이는 현재까지 보고된 수치 중 가장 높은 수치다. 이는 수소 생산의 경제성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 보여준다.

연구팀은 이 기술이 수전해 규모 확대를 위한 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구로 이어질 것이라고 밝혔다. 또 이 기술은 전기화학적 이산화탄소 전환 장치나 연료전지와 같은 다른 분야에도 활용 가능하여 광범위한 상용화가 기대된다고 설명했다.

한국화학연구원의 이영국 원장은 음이온교환막 수전해 기술의 상용화가 수소 경제의 실현과 함께 국내 기업의 글로벌 시장 진출, 신규 일자리 창출에 크게 기여할 것이라고 강조했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받았다. 그 결과는 국제적인 에너지 분야 학술지 ‘에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy and Environmental Science)’에 지난 4월 30일 온라인에도 게재되어 세계적인 관심을 받고 있다.