▲ 연구팀이 개발한 79㎠ 대면적 음이온 교환막 전해 기반 시스템 개념도 및 포름산염 및 수소 생산 선택도 성능 평가 결과

국내 연구진이 폐바이오 자원을 활용해 수소와 화학소재를 동시에 생산하는 전기화학 기술을 구현하며 탄소중립형 생산 공정 전환 가능성을 제시했다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 UNIST(총장 박종래)와 함께 바이오디젤(식물성 기름 등을 활용한 친환경 연료) 산업 부산물인 글리세롤을 활용해 수소와 고부가가치 화학물질을 동시에 생산할 수 있는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 재료연 에너지·환경재료연구본부 수소전지재료 연구센터 양주찬 박사 연구팀과 UNIST 에너지 화학공학과 장지욱, 임한권, 이호식 교수 연구팀이 함께 진행했다.

연구는 기존 수전해 공정의 핵심 병목으로 지목돼 온 산소 발생 반응(OER)을 대체함으로써 수소 생산 효율을 높이고 공정 활용 범위를 확장한 차세대 전환 기술이라는 점에서 의미를 가진다.

수소는 탄소중립 시대의 핵심 에너지원으로 주목받고 있으나, 기존 물 기반 수전해 방식은 양극에서 필수적으로 수반되는 OER이 높은 에너지를 요구하고 반응 속도 또한 느려 전체 공정 효율과 경제성을 저해하는 한계를 안고 있었다.

연구팀은 이러한 구조적 한계를 극복하기 위해 물 대신 바이오디젤 생산 과정에서 발생하는 저가 부산물인 글리세롤을 활용하고, 글리세롤 산화 반응(GOR)을 양극에 적용한 음이온 교환막 수전해 시스템을 구현했다.

이를 통해 기존 대비 낮은 에너지로 반응을 유도하면서도, 구리-코발트 기반 비귀금속 촉매를 적용해 고가의 귀금속 없이 높은 반응 활성과 안정성을 확보했다. 실제로 1.31V의 낮은 전압에서 110mA/㎠ 수준의 높은 전류밀도를 달성하며 에너지 효율을 입증했다.

특히 이번 기술은 수소 생산과 동시에 포름산염(formate) 등 화학 원료를 함께 생산할 수 있는 복합 공정이라는 점에서 기존 수전해 기술과 차별화된다. 기존 공정이 수소 생산에 국한된 단일 구조였다면, 이번 시스템은 에너지와 화학소재를 동시에 생산하는 방식으로 확장된 것이 특징이다. 연구팀은 생성 물질의 약 96%를 목표 화학물질로 전환하는 데 성공했으며, 79㎠ 규모 대면적 전해셀에서도 안정적인 성능을 확인해 산업 공정 적용 가능성까지 확보했다.

이 기술은 폐바이오 자원을 활용해 그린수소 생산 비용 절감과 자원 활용 효율을 동시에 높일 수 있는 전기화학 플랫폼으로 평가된다. 나아가 에너지 생산과 화학소재 생산을 하나의 공정으로 통합하는 탄소중립형 생산 기술로, 기존의 분리된 산업 구조를 연결하는 전환 가능성을 제시한다.

또한 연속공정 전환과 메가와트(MW)급 스케일 확장이 가능해 향후 실제 산업 현장 적용을 위한 실용 기술로 발전할 것으로 기대된다.

연구책임자인 한국재료연구원 양주찬 책임연구원은 “비귀금속 촉매를 기반으로 대용량 전해조 시스템에서 성능을 입증했다는 점에서 상용화 가능성을 확인했다”고 밝혔다.

울산과학기술원 장지욱 교수는 “글리세롤과 같은 바이오 부산물을 고부가가치 화합물로 전환하는 기술은 수소경제 활성화와 탄소중립 달성을 동시에 앞당길 수 있는 핵심 전략”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회, 한국에너지기술평가원, 한국연구재단, 한국산업기술평가관리원의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘Joule’에 3월 18일 자로 게재됐다.