원자력공학과 학부생, 대규모 수소 생산 위한 요소 기술연구 수행
박수현 학생(21학번), 학부 연구생 프로그램으로 연구 수행해, 국제 저널에 논문 게재
미세다공성 구조체 사용 시 저온 수전해의 최대 수소 생산 지점 향상 메커니즘 규명
원자력공학과 박수연 학생(21학번)이 학부 연구생 프로그램을 통해 SCI에 등재된 학술지인 ＜Journal of Electroanalytical Chemistry＞에 ‘Enhancement of critical current density using micro-porous structure in a low-temperature water electrolysis(미세다공성 구조를 활용한 저온 수전해 임계 전류 밀도 향상)’이란 제목의 논문을 게재했다.
미세다공성 구조체, 수소 기포 발달 지점인 핵 지점 늘려 수소 기포 수 증가
박수연 학생은 이번 연구를 통해 저온 수전해 과정에서 최대 수소 생산 지점인 ‘임계 전류밀도(Critical Current Density, CCD)’를 미세다공성 구조체를 활용해 향상하고, 그 메커니즘을 규명했다. 수전해 과정은 물을 전기 분해해 수소와 산소로 분리하는 전기화학적 반응이다. 이 과정은 전기 에너지를 사용해 물분자에 전기적 자극을 가해 화학 결합을 끊고, 수소와 산소를 발생시키는 방식이다. 임계 전류밀도는 전극 표면에서 물의 전기 분해 반응이 원활하게 진행될 수 있는 최대 전류밀도를 의미한다. 이를 초과하면 전기 분해 효율이 저하되거나 전극의 성능이 제한될 수 있다.
박수연 학생(21학번)
수전해 과정에서 음극에서 환원되는 수소는 작은 기포 형태다. 수전해 동안 전극 표면에서는 수소와 산소 기체가 생성된다. 환원되는 수소의 양은 전압이 증가함에 따라 증가하고, 특정 전압에 이르면 음극 전체를 덮는 하나의 큰 막(Film)에 형성된다. 이 막은 반응 면적을 줄이고, 전해질과 전극 간의 접촉을 방해할 수 있다. 이를 통해 수소 생산 반응이 저해된다. 이때의 전류밀도를 임계 전류밀도라고 하는데, 음극 표면에 ‘미세다공성 구조체’를 활용하면 임계 전류밀도를 높일 수 있다.
미세다공성 구조체는 수소 기포 발달 지점인 핵 지점(Nucleate site)을 늘려 수소 기포 수를 증가시킨다. 안으로 굽은 형태의 궁극은 수소 기포의 크기 감소에 유리하다. 또한 구조체의 넓은 표면적은 구조체 내부로의 전해질 공급을 쉽게 하고, 수소 환원 효율을 높인다. 많아진 기포의 수와 작아진 기포의 크기, 촉진된 기포의 이탈은 큰 막이 음극 전체를 덮지 못하게 하고 임계 전류밀도를 지연시킨다.
수소는 에너지를 저장하고 운반할 수 있는 중요한 에너지 담체(Carrier)다. 수전해를 통해 생성된 수소는 연료전지 시스템에서 전기를 생산하거나 다른 화학적 공정에서 에너지원으로 사용될 수 있다. 기후변화에 대처하기 위한 중요한 수단으로도 주목받고 있다. 박수연 학생의 연구는 대규모 수소 생산을 위한 요소 기술적 연구로 평가받는다.
3학년 시절부터 학부 연구생으로 연구 수행
박수연 학생은 3학년 시절 원자력공학과 정범진 교수 연구실의 학부 연구생으로 들어가 약 1년의 연구 끝에 SCI 논문을 게재했다. 박수연 학생은 “많은 선배님의 도움과 교수님의 가르침 덕에 세계적 학술지에 이름을 남기게 돼 기쁘다. 이번 성취는 내게 큰 동력이 됐다. 앞으로도 연구에 더욱 매진하려 한다”라고 소감을 밝혔다.
학부 연구생 프로그램을 통해 대학원 수준의 연구를 수행한 박수연 학생은 올해 경희대 대학원 석사 과정에 진학할 예정이다. 학부 연구생 프로그램을 통해 SCI 등재 저널에 논문을 게재한 경험을 바탕으로 지금은 소형 모듈 원자로 돔(Small Modular Reactor Dome, SMR Dome)의 외부 자연대류 현상 및 냉각 성능 평가 실험 연구를 수행하고 있다.
지도교수인 정범진 교수는 “SCI 논문 등재는 그동안의 연구와 노력으로 성취를 얻은 좋은 경험이 될 것이다. 연구실에 있는 학생이 발전하는 과정을 지도할 수 있어 기쁘다”라며 “세계적 연구자로 성장할 수 있도록 지원하겠다”라고 밝혔다.
글 정민재 ddubi17@khu.ac.kr
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