물방울 튕기는 연잎서 수소생산량 5배 높일 기술 찾았다

머니투데이

류준영 기자

국내 연구진이 연잎에 떨어진 물방울은 스며들지 않고 쉽게 튕긴다는 점에 착안, 수소 생산효율을 획기적으로 높일 신기술을 개발했다.

기존 전극과 초혐기 필름 전극의 공기 방울 탈착 테스트기존 전극(왼쪽)과 수화 젤로 코팅한 초혐기 전극(오른쪽)에서의 기체접촉각 측정을 통해 초혐기도 테스트를 수행했다. 기존 전극(왼쪽)과 달리 수화젤로 코팅한 전극(오른쪽)에서 공기 방울의 흡착이 어렵다. 따라서 위 테스트를 통해 수화젤이 초혐기도를 띤다고 할 수 있다/사진=UNIST

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 류정기·이동욱 교수 공동연구팀이 표면에 미세한 구멍이 많은 고분자 젤을 물의 전기분해(수전해)용 전극에 코팅해 수소 생산효율을 5배 정도 높이는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

새로운 촉매를 개발하지 않고 전극 표면을 코팅하는 것만으로도 수소 생산량을 크게 높일 수 있다는 점에서 관련 업계의 관심을 이끈다.

컵에 탄산음료를 따르면 컵 안쪽 표면에 공기 방울이 달라붙는다. 음료를 마실 때라면 이런 공기 방울의 많고 적음이 상관 없지만, 물을 전기로 분해하는 전극에서는 다르다. 전극 표면에서 발생한 기체가 많이 달라붙어 있을수록 반응이 일어날 면적이 줄어 수소와 산소 같은 기체 발생 효율이 낮아지기 때문이다. 따라서 전극 표면에 달라붙는 기체를 제거하는 게 전체적 효율에서 중요하다.

공동연구팀은 다공성 수화 젤을 전극 표면에 코팅함으로써 기체 방울을 쉽게 제거하는 방법을 고안했다. 수화 젤은 물을 많이 흡수할 수 있는 고분자물질이다. 고체 표면에 코팅하면 기체가 잘 달라붙지 않고 떨어지게 된다.

연구팀은 수전해 시스템의 전극 표면을 수화젤로 코팅해 수소 발생 성능을 측정했다. 그 결과 같은 수소 생산효율이 5배 정도 향상됐음을 확인했다.

기존의 전극과 초혐기 필름 전극의 수소 기체 발생 효율 비교(A), (B) 전기화학 반응 도중 보통의 전극(A)과 초혐기 필름 전극(B)의 수소 생성 반응 모식도와 디지털 사진. 초혐기 필름이 코팅된 전극에서 실제로 발생한 수소 기체의 양이 기존 전극에 비해 많았고 따라서 수소 생성 효율이 높아졌을 것으로 추정할 수 있다.(C) 단위전류량 측정을 통한 일반 전극과 초혐기 전극의 수소 발생 효율의 비교. 기존 전극(1㎠ 당 -50㎃)에 비해 초혐기 전극(1㎠ 당 –250㎃)의 효율이 약 5배 가량 높아짐을 그래프에서 확인할 수 있다. 또한, 기존 전극(검정 테두리)과 달리 초혐기 전극(하늘색 테두리)의 미세구조의 경우, 균일한 크기의 구멍이 일정하게 배치된 것을 미세구조 현미경을 통해 확인했다/사진=UNIST

류 교수는 “고분자물질은 반응을 촉진하는 촉매 역할을 할 수 없고 전기가 통하지 않아 수전해 효율을 낮춘다고 예상됐다”며 “이런 점 때문에 전극에 사용된 적이 없었지만, 전극 표면을 코팅하는 방식으로 활용해 오히려 수전해 방식의 단점을 해소할 수 있었다”고 설명했다.

이번 성과는 고분자물질을 고체의 표면에 코팅해 기체를 밀어내는 성질을 얻은 새로운 기술로 주목받는다.

기존에도 표면의 기체를 제거하기 위해 고체의 표면에 미세한 나노 구조를 만드는 방법이 있었지만, 제조비용이 비싼 데다 적용 가능한 물질에도 제한이 있었다.

이번에 개발한 방법은 고체라면 물질에 상관없이 적용할 수 있고, 대상 물질에 수화 젤만 코팅하면 되는 간편하고 저렴한 방식이라 활용 범위도 넒다.

이 교수는 “이번 기술은 수전해뿐만 아니라 이산화탄소 자원화 등 다양한 분야에 활용 가능할 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 실렸다.