[로이슈 전여송 기자] 중앙대학교는 화학공학과 안상현·남인호 교수 연구팀이 이산화탄소 전기화학적 전환 전해셀의 성능과 내구성을 개선한 신개념 음이온교환막을 개발했다고 4일 밝혔다.

이번 연구는 포항공과대학교, 한국과학기술연구원(KIST)과 공동으로 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야 학술지 'Joule'에 게재됐다.

연구팀은 고분자 주쇄에 알킬 사슬을 도입한 음이온교환막(PBFA-QA)을 개발해 이산화탄소 전환 전해셀에서 발생하는 환원극 침수와 염 석출 문제를 개선했다. 이산화탄소 전기화학적 환원 기술은 이산화탄소를 일산화탄소와 에틸렌 등 화학원료로 전환하는 기술이지만, 장시간 운전 시 성능 저하가 발생하는 문제가 있었다.

연구팀은 고분자 구조를 변경해 이온 전달 통로를 개선하고, 이온 클러스터 형성을 유도해 이온전도도와 수분 함습 특성을 높였다. 또한 밀도범함수이론(DFT) 계산과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 칼륨 이온의 이동 특성을 분석했다.

성능 평가에서는 개발한 음이온교환막을 적용한 전해셀이 3.2V 조건에서 일산화탄소 부분전류밀도 331.7mA/㎠와 패러데이 효율 96.8%를 기록했다. 연구팀에 따르면 이는 비교 대상으로 사용한 상용 음이온교환막 대비 약 1.8배 높은 수준이다. 또한 200mA/㎠ 조건에서 200시간 연속 운전 후에도 92% 이상의 일산화탄소 선택도를 유지했으며, 환원극에서 침수나 염 석출이 관찰되지 않았다고 설명했다.

연구팀은 이번에 제시한 알킬 사슬 도입 방식이 이산화탄소 전환 전해셀뿐 아니라 수전해와 연료전지 등 음이온교환막을 사용하는 전기화학 시스템에도 적용 가능할 것으로 기대한다고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실·H2GATHER 사업과 국가과학기술연구회 지원을 받아 수행됐으며, 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨팅 자원을 활용했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr