한옥희 박사, 세계 최초 나피온 전해질막 이온 이동 특성 규명

최신 분석기술로 연료전지 전해질막 물·수소이온의 확산 불균일성 확인
기초지원연 한옥희 박사 美UC 산타바바라 한송이 교수팀과 공동 연구

한옥희 박사

[아시아경제 이초희 기자]연료전지의 전해질막으로 주로 사용되는 나피온(Nafion) 유기고분자 전해질막 내 물과 수소이온의 확산 속도 차이와 이들의 위치에 따른 확신 속도 차이 를 규명함에 따라 향후 연료전지의 획기적 성능 개선연구를 앞당기는 토대를 마련하게 됐다.

한국기초과학지원연구원(원장 정광화) 서울서부센터 한옥희 박사팀은 오버하우저 동적 핵분극(ONDP)이라는 최신 분석기법을 이용하여 나피온 전해질막에 있는 친수성 채널의 중심부와 내표면에서 물과 수소이온 확산속도를 직접 측정하는데 성공했다고 4일 밝혔다.

이번 연구 성과는 응용화학 분야 세계최고 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewante Chemie‘지(誌) 1월28일자 온라인판에 게재됐다.

이번 성과는 미국 산타바바라 캘리포니아대 한송이 교수와 ODNP 장비를 활용해 국제공동연구를 통해 이뤄졌다.

반경이 수 나노미터에 불과한 나피온의 친수성 전해질 채널에서 물과 수소이온의 확산 속도 차이와 이들의 채널 내 위치에 따른 확신 속도 차이를 세계 최초로 측정할 수 있었던 것은 표지물 주변 1 nm 이내의 물과 수소이온의 확산계수를 측정할 수 있는 ODNP 기법을 이용했기 때문에 가능했다.

한송희 교수

연료전지의 효율을 결정하는 중요한 변수인 유기고분자 전해질에서 물과 수소이온의 이동 메커니즘에 대해서는 아직까지 정확히 알려져 있지 않았으며, 특히 친수성 채널 내에서 물과 수소이온의 확산속도가 공간적으로 차이가 나는지는 측정하여 보고된 바가 없었다.

양 기관 한 박사팀들은 템포(TEMPO)라 불리는 표지물과 그 유도체들을 나피온 전해질 친수성 채널의 중심부와 내표면에 선택적으로 배치해, 물과 수소이온이 채널 중심부보다 내표면쪽에서 약 1만배 빠르다는 사실을 직접 보여주는데 성공했다.

이처럼 나피온 전해질의 친수성 채널 내 위치에 따른 물과 수소이온의 확산 속도 차이를 규명함에 따라 보다 우수한 연료전지 전해질을 개발할 수 있는 토대를 마련하게 됐다.

특히 이번 연구에 사용 된 ODNP 분석법은 생물분야에서 최근 각광받는 분석법으로 이번에 한 박사팀이 소재 연구에 분야에 적용하여 좋은 결과를 낳아 그 분석법의 활용폭이 한층 넓어질 전망이다.

한옥희박사는 이번 연구성과를 통해 “연료전지의 효율을 결정하는 전해질 막 내 물과 수소 이온의 이동 매커니즘에 대한 단서를 제공했고, 향후 연료전지 뿐 아니라 다양한 분야에서 효율적인 고분자 전해질막 소재 개발의 효율적 설계에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이초희 기자 cho77love@asiae.co.kr