[월간수소경제 편집부] 도쿄대학 대학원 종합문화연구과 우치다 사야카 조교수 연구팀이 수소이온의 전도성을 높이는 금속산화물-폴리머 결정성 복합체 개발에 성공했다. 해당 이온 결정은 불소나 유황을 포함하지 않는 친환경 고체전해질로, 연료전지 및 수전해 시스템 등에 대한 응용이 기대된다.

최근 화석연료에 의존하지 않는 지속가능한 사회를 구축하고, 나날이 심각해지는 지구온난화 문제를 해결하기 위해 수소사회로의 이행이 주목을 모으고 있다. 그중에서도 연료전지는 수소와 공기 중의 산소 간 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 시스템으로, 수소 활용에 있어 중요한 기술 중 하나다.

하지만 화학반응에 의해 생성된 수소이온(수소원자가 전자 1개를 잃은 1가 양이온)의 전도를 담당하는 전해질은 어모퍼스(amorphous) 재료가 많아 조성-구조-성능의 상관관계가 불명확하고, 불소나 유황 등 환경에 유해한 원소를 포함하고 있어 재활용 및 폐기 과정에서 문제가 발생할 수 있다.

이에 연구팀은 새로운 전해질 재료의 구성 블록으로서, 금속산화물 클러스터(폴리옥소메탈레이트)와 폴리머(폴리알릴아민)에 주목했다. 이들은 수소이온 전도성이 높다고 알려져 있으나, 단독으로는 수증기 및 열에 대한 내성이 낮다는 단점이 있다.

이번 연구에서는 폴리옥소메탈레이트와 칼륨이온 사이에서 일어나는 정전 상호작용(양이온과 음이온 사이에서 일어나는 인력에 기반한 상호작용)에 의해 만들어지는 이온 결정의 나노 세공에 폴리알릴아민과 물 분자를 투입함으로써 구조 안정성 및 수소이온 전도성 향상을 실현했다.

이때 이온 결정의 구성 블록 중 하나인 폴리옥소메탈레이트는 비스무트와 텅스텐으로 이뤄지는 금속산화물 클러스터이며 불소나 유황 등 유해물질을 포함하지 않는 친환경 고체전해질 재료로, 연료전지나 수전해 시스템 등에 대한 응용이 기대된다.