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| ▲ 경상국립대 박종성 교수 연구팀(사진 왼쪽부터 미래융복합기술연구소 Komal Patil 박사, 한국남동발전 강경완 실장, 에너지공학과 박종성 교수) |
[파이낸셜경제=김예빈 기자] 경상국립대학교(총장 권진회)는 에너지공학과 박종성 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 없이 그린수소 생산 효율을 높이는 수전해 촉매를 개발하고, 그린암모니아로 해상 운송한 수소의 발전 비용이 국내 재생에너지와 견줄 만하다는 분석을 잇달아 내놨다고 밝혔다. 두 연구는 수소 생산의 핵심 촉매부터 그린암모니아 기반 장주기 에너지 공급 시스템까지 서로 다른 연구 영역을 연결했다는 점에서 의미가 있다.
연구팀은 먼저 음이온교환막 수전해(AEMWE)의 효율과 내구성을 높이기 위해, 철산화물과 몰리브덴 산화물·옥시설파이드가 결합된 계층형 이종구조 산소발생반응(OER) 촉매를 개발했다. α-MoO₃ 나노시트 표면에 옥시설파이드(MoOₓSᵧ) 환경을 형성하고 카본블랙과 Fe₂O₃ 나노입자를 결합해, 촉매 활성점의 수와 전자전달 특성을 동시에 끌어올렸다.
개발된 촉매는 기존 촉매보다 낮은 전압에서 우수한 산소발생 성능을 보였고, 알칼리 전해질 조건에서 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 실제 AEM 수전해 단전지 실증에서는 2.0V에서 1.78A㎝⁻²의 전류밀도를 달성했으며, 0.5A㎝⁻² 조건에서 200시간 동안 안정적으로 운전됐다. 수소와 산소의 패러데이 효율은 각각 95.12%, 97.91%로 측정됐다. 이는 값비싼 귀금속 촉매 없이도 수전해의 효율과 내구성을 함께 확보할 수 있음을 보인 것으로, 그린수소 생산 단가를 낮추는 소재 기술로 이어질 수 있다.
결과는 'Surface Oxysulfide-Engineered Fe₂O₃/α-MoO₃ Heterostructure for Efficient Oxygen Evolution in Anion Exchange Membrane Water Electrolysis'(제1저자 Komal Patil)라는 제목으로 지난 7월 13일 국제학술지 《Chemical Engineering Journal》(2025년 기준 JCR 상위 4%)에 게재됐다.
두 번째 연구에서 연구팀은 해외 재생에너지로 생산한 수소를 암모니아로 전환해 해상 운송한 뒤 국내에서 다시 수소와 전력으로 활용하는 전체 공급망을, 에너지·엑서지 및 경제성 관점에서 분석했다. 재생에너지 발전부터 전력변환, 수전해, 수소 압축, 암모니아 합성·저장·해상운송, 암모니아 분해, 수소발전에 이르는 전 과정을 분석하고, 최종적으로 전력계통에 공급되는 전력의 비용을 나타내는 균등화 전달전력비용(Levelized Cost of Delivered Electricity·LCOD) 평가체계를 제안했다.
분석 결과 수소 전소 발전 경로의 누적 에너지 전환효율이 선행연구 대비 향상된 것으로 나타났으며, 특히 수소발전·암모니아 합성·수전해 세 공정에 전체 에너지 손실의 상당 부분이 집중돼 향후 기술 개선이 필요한 지점을 제시했다. 경제성 측면에서는 해외 그린암모니아 기반 수소발전의 전달전력비용이 국내 재생에너지의 정온공급(firm supply) 비용과 비교해도 경쟁력을 가질 수 있는 수준으로 평가됐다. 이번 분석은 해외 그린암모니아 수입이 국내 재생에너지 기반 전력 공급의 현실적 대안이 될 수 있음을 보여, 수소경제 도입 경로와 기술 투자 우선순위를 정하는 근거로 활용될 수 있다.
이 연구 결과는 'System Evaluation of Hydrogen Power Generation via Green Ammonia Maritime Transport Considering Levelized Cost of Delivered Electricity (LCOD) and Firm Supply Capability'(제1저자 강경완)라는 제목으로 지난 6월 27일 국제학술지 《Energy Conversion and Management: X》(2025년 기준 JCR 상위 3.2%)에 게재됐다.
박종성 교수는 "그린수소 기술의 상용화를 위해서는 수전해 장치의 성능을 높이는 소재기술뿐만 아니라, 생산된 수소를 저장·운송하고 전력으로 공급하는 전체 시스템의 효율과 비용을 함께 고려해야 한다"라며 "향후 실제 운전조건에서 수전해 촉매와 단전지의 장기 내구성을 검증하고, 재생에너지 출력 변동과 부분부하 운전, 탄소비용 및 전 과정 환경영향을 반영한 동적 수소·암모니아 시스템 평가 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.
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