중앙대, 이산화탄소→화학원료 전환 성능 높이는 분리막 개발

[이데일리 김응열 기자] 중앙대 연구진이 이산화탄소를 화학원료로 바꾸는 과정에서 전극에 물과 염이 쌓여 성능이 떨어지는 문제를 해결할 수 있는 새로운 음이온교환막을 개발했다. 이 기술은 수전해와 연료전지 등 다른 친환경 에너지 분야에도 활용될 것으로 기대된다.

(왼쪽부터)포항공대의 임해량 박사, 중앙대의 한경호 박사, 장서현 박사, 황동영 박사과정생, 유정민 박사과정생, 남인호 교수, 안상현 교수. (사진=중앙대)

중앙대는 화학공학과의 안상현·남인호 교수 연구팀이 고분자 주쇄에 알킬 사슬을 삽입한 새로운 구조의 음이온교환막(PBFA-QA)을 이용해 환원극 침수와 염 석출 문제를 해결했다고 4일 밝혔다. 이번 연구는 포항공대, 한국과학기술연구원과 공동으로 진행됐다.

이산화탄소의 전기화학적 환원 기술은 발전소와 산업 공정에서 배출되는 이산화탄소를 재생에너지 전력을 활용해 일산화탄소, 에틸렌 등 고부가 화학원료로 전환하는 탄소중립의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 막전극 접합체를 활용한 전해셀은 상용화 가능성이 크지만 산화극 쪽의 양이온이 막을 통과해 환원극으로 넘어가는 ‘양이온 크로스오버’ 현상이 발생할 수 있다는 점이 한계로 꼽힌다. 환원극에 물이 과도하게 고이고 흰색의 염이 석출되면서 촉매 표면을 막아 성능이 떨어질 수 있기 때문이다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 막의 분자 구조를 변경했다. 기존 방향족 고분자 골격은 구조가 뻣뻣해 이온 전달 통로가 충분히 발달하지 못했는데 연구팀은 폴리(비스플루오렌) 주쇄 사이사이에 유연한 알킬 사슬을 끼워 넣어 고분자의 회전 자유도를 높였다.

그 결과 이온전달 작용기들이 스스로 뭉쳐 잘 발달된 ‘이온 클러스터’를 형성했고 이를 통해 △촉매층과의 접촉 특성 향상 △수분 함습량 및 이온전도도 증가 △도난(Donnan) 배제 효과 강화 등 개선이 이뤄졌다.

이번에 제시된 알킬 사슬 도입 전략은 특정 고분자에 국한되지 않고 이미 대량 생산 체계가 갖춰진 상용 음이온교환막 플랫폼에도 적용할 수 있다. 중앙대는 이번 연구 성과가 이산화탄소 전환을 넘어 수전해와 연료전지 등 음이온교환막이 쓰이는 전기화학 시스템 전반으로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.