LOHC(액체유기수소운반체)는 수소를 저장하고 운송하기 적합한 액체 화합물이다.
톨루엔은 가장 흔한 LOHC로, 톨루엔에 수소가 붙은 메틸사이클로헥산(MCH)은 수소를 저장하거나 꺼낼 수 있다.
기존 수소 기체는 100㍴ 이상의 압력과 영하 -252.9℃로 냉각해야 운송할 수 있다. 때문에 톨루엔 등 LOHC를 활용한 전기화학적 수소저장은 고온이나 고압의 조건이 없어도 전기만으로 수소를 저장하고 꺼낼 수 있어 유용하다.
그러나 톨루엔 활용 전기화학적 수소저장은 톨루엔이 분리막을 뚫고 반대쪽 전극으로 투과되며 손실이 발생하는 문제가 있다. 또 다른 과불소계 막도 톨루엔 투과율이 높아 톨루엔 손실뿐 아니라 수소화반응 중 산소발생 촉매를 오염시켜 반응효율이 하락하는 문제가 있었다.
수소저장성 향상 고분자 전해질막 개발
한국화학연구원 소순용 박사와 연세대 이상영 교수 공동연구팀이 탄화수소 기반 고분자 전해질막 ‘SPAES’로 전기화학적 LOHC(액체유기수소운반체) 수소화방식에 쓰이는 차세대 수소저장용 분리막 기술을 개발했다.
SPAES(Sulfonated Poly Aarylene Ether Sulfone)는 특수 고분자로 만든 분리막으로, 전기가 잘 통하고 열이나 화학물질에도 강한 특성을 지녀 연료전지, 수소저장장치에서 전해질막으로 사용된다.
연구팀은 탄화수소 기반 SPAES 분리막을 새로 설계해 분리막을 통한 프로톤 전달 성능은 유지하면서 톨루엔 투과를 최소화했다.
이를 통해 고분자 전해질막의 친수성 도메인을 2.1㎚로 좁혀 톨루엔 확산도를 낮췄다.
이는 이온이 물길처럼 지나가는 막 통로를 머리카락 굵기 5만 분의 1 크기로 좁게 설계한 것으로, 톨루엔 분자가 막 속으로 퍼지는 것을 방해해 막 통과속도를 기존보다 20배 느리게 만든 것이다.
그 결과 톨루엔 투과량은 60% 감소하고, 수소화 반응 효율을 나타내는 ‘Faradaic 효율’은 기존 나피온의 68.4%를 뛰어 넘어 72.8%를 기록했다.
특히 48시간 장시간 구동성능도 우수해 전압강하율이 SPAES 적용 시 40% 개선됐다.
아울러 전극오염 억제효과도 입증돼 분리막 자체의 화학적 안정성과 구조적 변화도 없어 장기 사용가능성이 높아졌다.
연구팀은 향후 전기를 바로 저장하는 통합형 소자 개발과 독립형 고효율 수소저장시스템을 구축할 경우 2030년경 상용화가 가능할 것으로 내다봤다.
소 박사는 “이번 연구는 기존 상용 PEM의 톨루엔 투과 문제를 극복하고, 장기적 안정성과 반응 선택성을 동시에 개선한 최초의 하이드로카본 기반 PEM 개발 사례"라며 "전기화학 기반 수소저장기술의 병목이었던 분리막 한계를 극복하고 기존 수소저장·운송기술의 대안을 제시했다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 연세대 화공생명공학과 이창진 학생이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 2월 국제학술지 ‘소재 화학 A(Journal of Materials Chemistry A(IF: 10.7))’ 표지논문으로 게재됐다.
