페로브스카이트로 그린수소 생산...국내외 연구 활발

수소가 대체 에너지로 주목을 받고 있다. 그린수소는 생산하려면 전기분해로 물에서 수소를 분리해야 하는 데 비용이 많이 든다는 점이 문제다.

그린수소의 가격은 낮아지고 있지만 아직 비싸다. 천연가스 수소는 1킬로그램당 1.50달러(약 1961원)지만, 그린수소는 무려 5달러(약 6537원)에 달한다.

클린테크니카는 태양광 패널의 신소재로 알려진 페로브스카이트(perovskite)가 그린수소를 저렴하게 생산할 수 있는 촉매재로 주목을 받고 있다고 2일(현지 시각) 소개했다.

상업적으로 실행 가능한 고체 산화물 기술은 섭씨 600도 이상의 온도를 견딜 수 있는 저렴한 촉매 개발에 달려 있는데, 페로브스카이트가 대안으로 떠오르고 있다.

페로브스카이트는 광물 페로브스카이트의 합성 버전으로 태양광 산업에서 잠재적인 게임 체인저로 등장하기 시작했다.

페브로스카이트의 잠재력은 지난주 한국에서도 확인됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 고체산화물 전기분해 시스템에서 “수소 생성 속도를 2배 이상 늘리고 650도에서 400시간 이상 분해 없이 작동”하는 새로운 페로브스카이트 기반 나노촉매를 발표했다.

연구팀은 지난해 11월 화학공학저널(Chemical Engineering Journal)에 연구 결과를 발표했다.

고온 고체 산화물 전지(이하 SOC)는 전력과 수소를 생산하는 가장 효율적이고 다양한 경로 중 하나를 제공”한다는 내용이었다. SOC는 열적 안정성이 부족해서 한계가 있는데, 이를 보완할 페로브스카이트 생산기술을 제시했다. 나노촉매가 전극 내부 표면에서 성장해 불순물을 제거하는 방식이다.

연구팀은 생산 시설의 완전 자동화를 통해 상업적 규모로 프로세스를 수행할 수 있다고 보고했다. 결론적으로 한국과학기술연구원은 “이 연구의 주요 발견은 고온 나노재료의 중요한 장벽을 해결하고 SOC 기술의 상용화를 가속화할 것”이라고 주장했다.

미국에서도 페로브스카이트의 잠재력에 관한 연구를 활발히 진행하고 있다. 

최근 2020년 미국 에너지부 산하 아이다호 국립 연구소 연구팀이 양성자 세라믹 전기화학 전지(이하 PCEC)를 일부 개선하면서 획기적인 발전이 이뤄졌다.

PCEC는 섭씨 800도 이상의 온도에서 증기로부터 수소를 분리하도록 설계됐으며, 이를 수행하려면 비싼 재료가 필요하다. 또한 재료는 분해 속도가 빠르므로 비용 측면에서 전체 작업이 비효율적인 것이 단점이다.

선임 엔지니어이자 과학자인 딩동(Dong Ding)이 이끄는 아이다호 팀은 PCEC가 수소를 추가하지 않고도 전기를 생산할 수 있도록 페로브스카이트 산화물 재료를 만들었다. 이로써 PCEC의 물 분해 효율성 개선과 관련된 팀의 초기 작업이 완료됐다.

아이다호 국립 연구소는 “딩동의 연구팀은 물을 수소와 산소로 분리하는 데 더 많은 표면적을 제공하는 전극용 3D 메시형 아키텍처를 개발했다”고 설명했다. 딩동은 "3D 메쉬 전극과 새로운 전극 재료라는 두 가지 기술을 함께 사용하면 400~600°C에서 수소의 자체 생산이 계속해서 이뤄진다"고 밝혔다.

아울러 딩동은 “우리는 외부 수소 공급 없이 가수분해 모드에서 생성된 수소를 전기로 전환하기 위해 저온에서 PCEC의 가역적 작동 가능성을 입증했다”며, “이는 고온 전기분해를 위한 큰 진전”이라고 주장했다. 가역성이란 물질이 한번 변화한 후 다시 원상태로 돌아갈 수 있음을 의미한다.

한국과학기술연구원과 마찬가지로 아이다호 국립 연구소는 새로운 상업적 규모의 제조 공정을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

한편, 미국 에너지부의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)도 고온 전기분해 한계를 추진해 왔다.

아르곤 국립연구소는 “확장 가능한 분말 합성은 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능한 전력원에서 수소를 생성하는 데 필요한 저렴하고 안정적인 고체 산화물 전기분해 전지를 개발하는 데 필수적”이라고 클린테크니카에 말했다.