▲ 복합 기능성 촉매소재 (G-SHELL)을 활용한 아연-공기 전지 기반의 자가발전형 수소생산 시스템 모식도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST의 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 기존 그린 수소 생산의 한계를 극복하는 자가발전형 수소 생산 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 산소 환원, 산소 발생, 수소 발생을 모두 촉진하는 그래핀 기반 3차원 복합 구조체를 적용해 기존 아연-공기전지 기반 시스템의 성능을 획기적으로 개선했다.

아연-공기전지는 공기 중 산소를 흡수해 전력을 생성하는 방식으로, 기존 배터리 대비 약 5배에 달하는 높은 에너지밀도(797Wh/kg)와 우수한 출력 특성(275.8mW/cm²)을 자랑한다. 하지만 기존 전지는 장시간 충·방전 시 촉매 성능이 급격히 저하되거나, 고가의 귀금속 촉매를 필요로 하는 한계가 있었다. 이에 강 교수 연구팀은 산화 그래핀에 나노 크기의 금속-유기 골격체를 성장시킨 비귀금속 촉매 소재(G-SHELL)를 개발해 이 문제를 해결했다.

이 촉매 소재는 3가지 주요 전기화학 반응(산소 발생, 수소 발생, 산소 환원)에서 뛰어난 성능을 보였으며, 장시간 안정적인 구동이 가능해졌다. 특히, 수용성 전해질을 사용해 기존 시스템에서 발생할 수 있는 화재 위험을 원천적으로 차단, 보다 안전한 운용이 가능하다는 점에서 큰 주목을 받고 있다.

연구팀이 개발한 자가발전형 수소 생산 시스템은 공기 중 산소를 활용해 전력을 생성한 후, 이를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는 방식을 채택했다. 그린 수소는 현재까지 신재생에너지의 불규칙한 발전량으로 인해 효율적인 생산이 어려웠지만, 이번 시스템은 안정적인 전력을 공급할 수 있어 효율성을 크게 향상시켰다.

아연-공기전지 기반의 전력원은 물 분해에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있으며, 기존 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매를 사용해 비용도 절감됐다. 연구팀은 이를 통해 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도를 기록했으며, 반복적인 충·방전 조건에서도 안정적인 성능을 유지하는 데 성공했다.

강 교수는 “이번 연구에서 개발된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템은 저비용, 고성능을 구현해 그린 수소 생산의 새로운 돌파구를 제시했다"며 "안정적인 에너지원으로서 지속가능한 미래 에너지원으로 자리 잡을 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 9월 17일자로 게재되었으며, 강정구 교수 연구팀의 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여해 융복합 분야에서 그 혁신성을 인정받았다.

이 연구는 향후 그린 수소 생산 시장에서 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 차세대 에너지 저장 장치로서의 적용 가능성도 높게 평가되고 있다.

강 교수팀이 개발한 기술은 수소 생산뿐만 아니라 다양한 환경에서 활용될 수 있는 새로운 친환경 에너지원으로 자리매김할 가능성을 보여주고 있다.

논문명은 Trifunctional Graphene-Sandwiched Heterojunction-Embedded Layered Lattice Electrocatalyst for High Performance in Zn-Air Battery-Driven Water Splitting 이다.