에너지신소재공학과

제조 방법에 따라 기공 크기 조절 가능한 전극 구조 개발…. 양이온/음이온 교환 막 수전해모두 탁월한 성능 보여<o:p></o:p>

화학공학 분야 저명 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 최신판 게재<o:p></o:p>

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최창순 교수 연구팀은 그린수소 생산 가능한 양이온/음이온 교환 막 수전해 장치의 성능 증가를 위해 탄소나노튜브 시트를 이용하여 기공 크기 조절이 가능한 에노드 전극을 개발하는 데 성공했다.<o:p></o:p>

동국대 융합에너지신소재공학과 소속 최창순 (교신저자) 및 박지은 (1저자) 교수와 성영은 서울대 화학생물공학부 교수(공동 교신저자)가 이끄는 공동 연구팀은 탄소나노튜브 시트의 구조를 기반으로 격자 무늬의 에노드 전극을 개발하고 제조 방법에 따라 기공 크기 조절을 가능하게 하는 연구를 성공적으로 수행하였다.

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<왼쪽부터 융합에너지신소재공학과 소속 최창순, 박지은 교수><o:p></o:p>

양이온/음이온 교환 막 수전해 장치는 탄소 배출이 없는 대체에너지인 그린수소 생산하는 장치이다. 두 종류의 수전해는 종래의 알칼리 수전해와 달리, 고분자 전해질 막을 사용함으로써 높은 효율과 높은 수소 순도를 나타내는 장점을 가지고 있어 대체 수전해 장치로 꼽히고 있다. 하지만 종래 방식의 전극 구조는 촉매 입자가 적층된 구조로, 촉매의 이용률이 떨어지며, 불규칙적이고 작은 기공 구조가 전자, 이온, 물질 전달을 원활하지 못하여 양이온/음이온 교환 막 수전해 효율 증대에 한계가 있다. <o:p></o:p>

이를 해결하기 위해, 연구팀은 일정한 간격을 가지는 탄소나노튜브 시트를 이용하여 적층 방향, 적층 개수를 변수로 설정하여 기공 크기 조절 가능한 에노드 전극을 설계했다. 이렇게 최적화된 기공을 가지는 에소드 전극은 거대 기공을 통해 촉매의 표면적을 넓히고, 전자, 이온, 물질 전달을 원활하게 하여 종래 전극 대비 높은 양이온/음이온 교환 막 수전해 성능 및 내구성을 보였다. 특히, 양이온/음이온 교환 막 수전해가 각각 1.2 A cm^-2 (@1.6 V)과 2.8 A cm^-2 (@ 1.9 V)의 높은 전류밀도를 나타내어, 현재 보고된 수치들 중 두 장치 모두 가장 높은 성능을 보고하였다. 또한, 1 A cm^-2에서의 수전해 구동 조건에서도 50 시간 동안 성능 감소 없이 안정적인 수전해 성능을 나타내어 높은 내구성을 가지는 에노드 전극 구조임을 확인하였다. <o:p></o:p>

박지은 교수는 “이번 연구는 탄소나노튜브 시트를 이용하여 다양한 크기의 기공 구조를 가지는 에노드 전극을 고성능 고내구성 양이온/음이온 교환 막 수전해 장치를 구현한 것에 의미가 있다”며 “새롭게 개발한 에노드 전극 구조는 촉매의 종류에 따라 양이온/음이온 교환 막 연료전지, 아연-공기 전지 등 다양한 전기화학 장치에 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.<o:p></o:p>

연구결과는 <Pore-Controlled Carbon Nanotube Sheet Anodes for Proton/Anion-Exchange Membrane Water Electrolyzers>라는 제목으로 화학공학 분야 저명 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal (IF=16.744)」 23년 3월에 게재됐다 (URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723004023?dgcid=coauthor).<o:p></o:p>