켄텍, 그린수소 효율·안정성 기술 개발…세계 최고 효율 달성

(왼쪽부터) 김완식 박사(제1저자), 김창희 교수(교신저자).

한국에너지공과대학교(KENTECH)는 연구진이 그린수소 생산의 효율성과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 전극 기술을 선보였다고 4일 밝혔다.

한국에너지공대 에너지공학부 김창희 교수 연구팀은 '대면적 제작이 가능한 공정'을 통한 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반의 고성능 알칼라인 수전해 수소발생전극을 개발해, 실제 재생에너지 환경을 모사한 평가로 안정성을 검증하는 데 성공했다.

이황화몰리브덴은 구조와 전자적 특성을 조절해 수소발생반응에서 높은 촉매 활성을 구현할 수 있는 차세대 비귀금속계 전극 소재다. 본질적으로 낮은 촉매활성도를 가지는 2H 구조를 1T 구조로 전환하면 촉매활성도가 크게 향상돼, 실용적 전극으로 활용할 수 있는 가능성이 높아 활발히 연구돼 왔다. 하지만 기존 연구는 나노 수준의 정밀한 구조 제어와 대면적화 공정의 한계로 인해 산업적 응용에 어려움이 있었다. 구조 제어만으로는 충분한 촉매활성을 확보하기 어려웠기 때문이다.

김 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 대면적화가 가능한 '공동 스퍼터링(Co-sputtering)' 기술을 도입했다. 이 기술을 통해 이황화몰리브덴에 니켈(Ni)을 도핑하고, 출력과 증착 시간을 정밀하게 제어해 1T 구조의 수율을 높이고 표면 활성 면적도 확장했다. 그 결과, 전하 전달 효율과 촉매활성도를 크게 향상시켰다.

실제 알칼라인 수전해 단일 셀에서 약 89%의 효율(전류밀도 0.4 A/㎠)을 달성해 현재 세계 최고 수준을 넘어섰다. 또한, 전극이 실제 재생에너지 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는지를 검증하는 시동·정지 반복 평가를 수행해, 반복적인 시동 정지 운전에서도 안정적인 구조와 성능을 유지함을 확인했다. 이를 통해 이번 연구 성과가 성능 개선을 넘어 차세대 수전해 시스템에 충분히 적용 가능함을 증명했다.

김창희 교수는 "이번 연구는 대면적화가 가능한 공정으로 고성능 이황화 몰리브덴 전극을 구현해 산업 적용 가능성을 높였다"며 "재생에너지 출력 변동에도 안정성이 입증돼 그린 수소 상용화를 앞당길 수 있는 기반이 마련됐다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.

이번 연구에는 한국 에너지 공대 김완식 박사후연구원이 제1 저자, 김창희 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 독일 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소가 주관하고 수전해 분야 세계적 선도 기업들이 참여하는 '차세대 알칼라인 수전해 산업 워크숍(INDUSTRY WORKSHOP Advanced Alkaline Electrolysis)'에서 소개됐다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr