- 신소재공학과 강정구 교수 연구팀, 산소 환원-산소 발생-수소 발생에 효과적인 그래핀 기반의 3차원 복합 구조체를 개발, 이를 통해 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템 구현

- 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도, 높은 출력 특성, 그리고 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동 가능

- 공기 중 산소를 활용해 전력을 얻고 이를 활용한 물 분해를 통해 그린 수소 생산하는 시스템으로 지속가능한 미래 기술로 수소 생산 시장 선도 기대 

KAIST 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템을 개발했다. 이 시스템은 수용성 전해질을 사용해 화재 위험이 없고, 기존 배터리보다 5배 높은 에너지밀도를 보여준다. 이 기술은 그린 수소 생산의 한계를 극복할 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다.

▲강정구 교수팀 단체사진(앞줄 왼쪽부터) 김동원 박사과정, 강정구 교수, 김지훈 석사과정

현재 그린 수소 생산의 한계를 극복할 새로운 수소 생산 시스템을 KAIST 연구진이 개발하여 수용성 전해질을 사용한 물분해 시스템을 활용해 화재의 위험을 차단하고 안정적인 수소 생산이 가능할 것으로 예상된다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소 생산 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 

수소(H2)는 고부가가치 물질 합성의 원료로 기존 화석연료(휘발유, 디젤 등) 대비 3배 이상 높은 에너지밀도(142MJ/kg)를 지녀 청정 연료로 주목받고 있다. 그러나 현재 수소 생산 방식 대부분 이산화탄소(CO2)를 배출하는 문제가 있다. 

아울러 그린 수소 생산은 태양전지, 풍력 등 신재생에너지를 동력원으로 물을 분해해 수소의 생산이 가능하나, 신재생에너지 기반의 동력원은 온도, 날씨 등에 영향을 받아 불규칙한 발전량에 따른 낮은 물 분해 효율을 보인다. 

이를 극복하기 위해 물 분해를 통한 수소 생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받고 있지만, 충분한 용량 구현을 위해 귀금속 촉매를 사용해야 하고, 장시간 충·방전시 촉매 소재의 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다. 

이에 물 분해 반응(산소 발생, 수소 발생)에 효과적인 촉매와 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응(산소 환원, 산소 발생)에 안정적인 물질의 개발이 필수적이다.     

이에 강 교수 연구팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 사이즈의 금속-유기 골격체를 활용해 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에 모두 효과적인 비귀금속 촉매 소재(G-SHELL)의 합성법을 제시했다. 

연구팀은 개발된 촉매 물질을 공기전지의 공기극 물질로 구성해 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도(797Wh/kg), 높은 출력 특성(275.8mW /cm²), 그리고 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동이 가능함을 확인했다. 

또한 수용성 전해질로 구동돼 화재의 위험으로부터 안전한 아연-공기전지는 차세대 에너지 저장 장치로서 수전해 시스템과 연동시켜 수소 생산을 위한 친환경적인 방법으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

강 교수는 “낮은 온도, 간단한 방법으로 3가지 다른 전기화학 촉매반응에서 높은 활성도와 수명을 지닌 촉매 소재를 개발해 구현된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템은 현재 그린 수소 생산의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것이다”고 밝혔다.

KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 융복합 분야(MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY)의 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 9월 17일 字 게재됐다. 

(논문명: Trifunctional Graphene-Sandwiched Heterojunction-Embedded Layered Lattice Electrocatalyst for High Performance in Zn-Air Battery-Driven Water Splitting) 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.

▲그래핀 기반 중공구조를 지닌 복합 기능성 촉매소재의 합성 과정 등

▲복합 기능성 촉매소재를 활용한 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소생산 시스템 모식도