[뉴스에프엔 조남준 기자] 기후변화와 환경오염 문제 해결을 위한 청정 수소 생산 기술이 주목받고 있다.

특히 물 전기분해는 이산화탄소(CO2) 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 유망한 기술로 간주되고 있다. 그러나 높은 작동 전압으로 인한 에너지 효율 감소라는 과제가 여전히 남아 있다.

글로벌 탄소 프로젝트(Global Carbon Project)의 최근 데이터에 따르면, 2024년 전 세계 CO2 배출량은 374억 톤에 이를 것으로 예상되며, 이는 전년 대비 0.8% 증가한 수치다.

이러한 추세는 탄소 중립 사회로 나아가려는 전 세계적인 노력에 역행하며, 화석 연료 소비를 줄이고 대체 청정 에너지 기술을 개발해야 할 시급성을 강조하고 있다.

화석 연료 사용을 줄이려는 노력에도 불구하고 CO2 배출량은 계속해서 증가하고 있으며, 이로 인해 수소가 청정 에너지원으로 주목받고 있다.

수소는 연소 시 CO2를 배출하지 않으며, 에너지 밀도가 높아 기존 고체 연료보다 훨씬 효율적이다. 또한 태양광, 풍력 등 간헐적인 재생 가능 에너지원의 공급 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

또한 수소는 잉여 전기를 수소로 변환하여 저장함으로써 에너지 저장 및 운송을 위한 유효한 솔루션을 제공한다. 이 같은 잠재력을 실현하려면 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 기술이 중요하다.

이에 따라 화학수 전기분해가 수소 생산 문제를 해결할 수 있는 유망한 기술로 부각되고 있다. 이 기술은 물의 산화 반응(OER)을 다양한 화학적 산화 반응으로 대체해 저전압에서도 수소를 효율적으로 생산할 수 있다.

또한, 고부가가치 제품을 생산하거나 오염 물질을 제거하는 방식으로 에너지 생산을 개선하고 환경 보호에도 기여할 수 있는 잠재력을 갖추고 있다.

서울대학교 장호원 교수는 “화학수 전기분해 기술은 기존 물 전기분해의 한계를 극복하는 혁신적인 접근 방식을 제시하며, 에너지 효율을 높여 청정 수소 생산을 가능하게 한다”고 설명했다. 또한, 이 연구는 최신 촉매 설계 전략을 체계적으로 컴파일하고, 다양한 화학 물 보조 전기분해 반응의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여준다고 했다.

하지만 화학적 물 전기분해가 기존 전기분해 방법을 대체하려면 여전히 많은 기술적 과제가 남아 있다. 주요 문제는 촉매의 내구성 유지와 저전압 작동 달성이다. 이를 해결하기 위한 연구는 전기화학 반응 메커니즘 연구와 AI 기반 촉매 설계를 통해 진행되고 있다.

산업 응용 분야에서는 높은 전류 밀도(A cm-2)와 장기적인 안정성(>10,000시간)을 필요로 한다. 최근 연구자들은 양극, 멤브레인, 음극을 직접 조합하는 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 연구하여 높은 전류 밀도를 달성하면서 전기 저항과 물질 전달 손실을 줄이는 방법을 모색하고 있다.

또한 고온 조건에서 작동하는 고성능 연료전지 타입의 장치 개발과 자가 발전형 수소 생산 시스템 개발에도 노력이 기울여지고 있다.

이와 같은 기술 개발이 진행됨에 따라 화학수 전기분해는 지속 가능한 청정 에너지 솔루션으로 자리잡을 수 있는 중요한 기술이 될 것이다. 장 교수는 “이 검토의 주요 목표는 독자에게 이 분야의 최신 연구 동향과 촉매 설계 전략을 빠르고 정확하게 제공하고, 산업 응용 분야에 대한 포괄적인 청사진을 제시하는 것”이라고 말했다.

청정 수소 생산을 위한 연구와 개발이 계속해서 이루어짐에 따라, 화학수 전기분해 기술은 미래의 에너지 혁신을 이끄는 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 기대된다.

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