울산과학기술원, 테플론 코팅으로 수소 생산 효율 1.4배 높이는 기술 개발

울산과학기술원(UNIST)이 프라이팬 코팅제를 활용해 그린 수소 생산 효율을 높이는 기술을 개발했다. 이동욱·류정기 교수 연구팀은 수전해 장치 부품인 '다공성 수송층(PTL)'에 테플론(PTFE)을 코팅해 수소 생산 성능을 40% 향상시켰다고 24일 밝혔다. 수전해 장치는 물과 전기를 이용해 그린 수소를 만드는 설비다. 전극 촉매 표면에서 화학 반응을 통해 수소가 생성되는데, 이때 수소 기체가 제대로 배출되지 못하고 기포로 촉매 표면을 덮으면 반응 면적이 줄어 생산에 문제가 생긴다. 연구팀은 수소가 배출되는 통로인 다공성 수송층에 테플론 코팅을 적용했다. 테플론은 프라이팬의 음식물 눌어붙음 방지용으로 쓰이는 물질로, 이를 수송층에 바르면 수소가 다공성 구조를 신속하게 통과해 기포가 촉매 표면에 달라붙는 현상을 막을 수 있다. 다만 이 코팅제는 물을 밀어내는 특성이 있어 원료 공급에 방해가 될 수 있다. 연구팀은 수송층 위쪽 절반만 코팅하는 방식으로 이를 해결했다. 가벼운 수소 기체는 코팅된 위쪽으로 배출되고, 원료인 물은 코팅 없는 아래쪽으로 공급되는 구조다. 이 기술을 적용한 수전해 셀은 코팅 없는 셀보다 전류 밀도가 40% 증가했다. 전류 밀도는 단위 시간당 생산량과 비례하는 수치다. 수소 기체로 인한 통로 막힘 현상과 전압 상승도 완화됐다. 상용화 가능성도 높다. 액체 상태 코팅제를 분사한 뒤 열처리만 하면 되고, 나노 가공이나 복잡한 공정이 필요 없다. 연구팀은 225㎠ 넓이의 대면적 수송층 제작에도 성공했다. 류정기 교수는 "수전해에서는 다공성 수송층의 친수성이 강할수록 원료인 물 공급이 잘 돼 효율이 높다고 알려져 왔지만, 소수성 물질인 코팅제를 잘 활용하면 오히려 수소 생산이 잘 이뤄질 수 있다는 점을 확인했다"고 말했다. 이동욱 교수는 "테플론은 이미 대중화된 물질이라 다루기가 쉽고, 기존 수전해 장치 구조를 그대로 둔 채 표면에 코팅만 더해주면 되는 방식이라 적용이 간편하다"며 "이번 기술은 수전해 장치 외에도 기체가 화학 반응에 관여하는 연료전지나 금속-공기전지 같은 전기화학 장치에서도 응용할 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구는 강윤석·이승현 연구원이 주도했으며 연구 결과는 전기화학 분야 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 11월 8일자로 온라인 공개됐다. 표지논문으로도 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다.