KRICT 한국화학연구원

 - 기존 상용화된 양이온 교환막(PEM)의 높은 톨루엔 투과 문제 해결, 촉매 오염으로 인한 성능 저하 방지
 - 기존 상용 전해질막에 비해 수소화 반응(Faradaic) 효율 개선(68.4→72.8%), 내구성 40% 개선
 - 대량 생산 및 생산 공정 최적화 기술 확보 후 LOHC 기반 수소저장, FCEV, 수전해 장치 등에 적용 가능

□ 국내 연구진이 전기화학 방식의 수소 저장 기술 성능을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막을 개발했다.

< [그림 8] 이창진 학생연구원(1저자)이 이번에 만든 SPAES 소재 분리막을 보여주고 있다 >

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 소순용 박사, 연세대학교(총장 윤동섭) 이상영 교수 공동 연구팀은 ‘SPAES*’라는 탄화수소 기반 고분자 전해질막을 적용하여, 전기화학적 LOHC 수소화 방식에 쓰이는 차세대 수소 저장용 분리막 기술을 개발했다. 나피온(Nafion) 등 기존 상용화된 과불소계 양이온 교환막(PEM)의 단점이던 톨루엔 투과성을 60% 이상 줄이고 수소화 반응 효율은 72.8%까지 끌어올렸다.
* Sulfonated Poly Aarylene Ether Sulfone : 특수한 고분자(플라스틱 종류)로 만든 분리막으로서, 전기가 잘 통하고, 열이나 화학물질에도 강한 특성을 가지고 있음. 주로 연료전지나 수소 저장장치에서 전해질막(전기를 이동시키는 통로)으로 사용됨

< [그림 2] 수전해 시스템을 이용한 톨루엔 직접 전기 수소화 기술의 장점 >

□ LOHC(액체 유기 수소운반체)는 수소를 저장하고 운송하기에 적합한 액체 화합물이다. 기존 기체 수소는 압축(100 bar 이상) 및 액화(-252.9 ℃)를 통해 운송해야 하는 문제가 있어, 톨루엔과 같은 LOHC를 활용한 전기화학적 수소 저장이 주목을 받고 있다. 하지만 기존 톨루엔 전기화학적 수소 저장은 전기화학 장치 내 분리막을 통해 톨루엔이 반대쪽 전극으로 투과하여 손실되는 문제가 있다.

  ㅇ 특히, 기존 상용화된 과불소계 막(나피온 등)은 톨루엔 투과율이 높다는 문제가 있었다. 이로 인해 톨루엔의 손실뿐만 아니라, 수소화 반응 중 산소 발생 촉매를 오염시켜, 반응 효율이 하락하는 문제가 있었다.

< [그림 3] 툴루엔 수소화 반응 및 툴루엔의 양극 침투 >

□ 연구팀은 탄화수소 기반의 ‘SPAES 분리막’을 새로 설계하여, 분리막을 통한 프로톤 전달 성능은 유지하면서도 톨루엔 투과를 최소화했다. 고분자 전해질막의 친수성 도메인을 2.1나노미터로 좁혀 톨루엔 확산도를 낮춘 것이다.

  ㅇ 쉽게 비유하면 물길처럼 이온이 지나가는 막 속 통로(친수성 도메인)를 머리카락 굵기의 5만 분의 1 크기로 아주 좁게 설계한 것이다. 이 구조는 톨루엔 분자가 막 속으로 퍼지는 것을 방해하여, 톨루엔이 막을 통과하는 속도를 기존보다 약 20배나 느리게 만들었다.

< [그림 4] 확산 셀을 이용한 전해질막을 통한 톨루엔 투과도 측정 >

  ㅇ 그 결과, 톨루엔 투과량은 60% 감소하고, 수소화 반응 효율을 나타내는 Faradaic 효율은 기존 나피온의 68.4% 보다 높은 72.8%를 기록했다. 장시간(48시간) 구동 성능도 우수했다. 전압 강하율이 나피온(1,270 mV/h)에 비해 SPAES 적용 시 약 40% 개선된 것이다.(728 mV/h) 

< [그림 5] 내구성 테스트 동안의 성능 변화 및 톨루엔 수소화 효율 비교 >

  ㅇ 전극 오염 억제 효과도 입증되었으며, 분리막 자체의 화학적 안정성과 구조적 변화도 없어 장기 사용 가능성이 높은 것으로 나타났다.

< [그림 6] 내구성 테스트 후 Nafion(상용막)과 SPAES(화학연 막)의 양극 촉매의 저항 변화 >

□ 연구팀은 향후 발생한 전기를 바로 저장할 수 있는 통합형 소자 개발과 함께, 독립형 고효율 수소 저장 시스템을 구축한다면 2030년경 상용화가 가능할 것으로 전망하고 있다.

  ㅇ 연구진은 “이번 연구는 전기화학 기반 수소 저장 기술의 병목이었던 분리막의 한계를 극복한 성과로, 기존 수소저장·운송 기술의 대안을 제시했다.”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “이번 기술은 수소연료전지차, 수소 발전 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 적용 가능성이 커, 수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

  ㅇ 이번 논문은 2025년 2월 재료·에너지 분야 세계적 학술지인 ‘소재 화학 A(Journal of Materials Chemistry A(IF: 10.7))’에 표지 논문으로 게재되었다. 화학연 소순용·유덕만 박사와 연세대 이상영 교수가 교신저자로 참여했고, 화학연 이창진 학생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업인 K2030 사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

* (논문 DOI 주소) https://doi.org/10.1039/D4TA06773H

< [그림 1] Journal of Materials Chemistry A 2025년 2월호 표지 논문 이미지 >