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서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 조원철 교수 연구팀(재생에너지공정연구실, 이동현 석사과정)이 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 Dirk Henkensmeier 박사 연구팀 및 Asridin Dayan 박사과정 학생과의 공동연구로, 알칼라인 수전해에서 기존 음이온교환막(AEM)을 대체할 수 있는 열경화된 술폰화 파라-PBI(cMS-PBI) 기반의 차세대 이온용매화막(ISM)을 개발하여 재료과학 분야 최상위 저널인 Advanced Energy Materials(IF 29.7)에 공동 제1저자로 논문을 게재하였다.

▲ cMS-PBI 분리막의 성능과 장시간 안정성 평가 지표

해당 연구는 알칼라인 수전해가 친환경 수소 생산의 핵심 기술이지만, 기존의 음이온교환막(AEM)이 알칼리 환경에서 내구성 저하로 수명이 짧아지는 문제를 해결하기 위해 진행되었다. 연구팀은 술폰화된 파라-PBI를 열적으로 경화시킨 cMS-PBI 막을 제작하여, 2M KOH 및 80°C의 환경에서도 6개월 이상 우수한 화학적 안정성을 유지하고 기존 AEM보다 우수한 이온 전도성을 나타내는 것을 확인하였다. 특히, cMS-PBI 기반의 수전해 셀은 80°C 및 2M KOH 조건에서 2V의 전압으로 975mA/cm²의 높은 성능을 안정적으로 구현했으며, NiFe 및 Raney Ni 전극 사용 시에는 2V에서 3.52A/cm²의 뛰어난 성능을 기록하였다. 또한 연구팀은 PBI 분리막의 장기 내구성 평가를 위해 가속화 Stress protocol을 도입하여 성능평가를 성공적으로 입증하였다.

이번 연구 결과는 기존 알칼라인 수전해 기술 대비 막의 내구성을 크게 높이고, 친환경 수소 생산 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

본 연구는 Advanced Energy Materials 저널에 'Thermally Cured Sulfonated para-PBI as Ion Solvating Membrane for Use in Water Electrolysis'라는 제목으로 최근 게재되었다. (https://doi.org/10.1002/aenm.202500498)

■ 논문정보

•  저널명: Advanced Energy Materials (IF=27.8, 재료과학 분야 최상위 저널)
•  논문 제목: Thermally Cured Sulfonated para-PBI as Ion Solvating Membrane for Use in Water Electrolysis
•  저자: Asridin Dayan, DongHyun Lee, Kobra Azizi, Lars Nilausen Cleemann, Won-Chul Cho*, Dirk Henkensmeier*
•  논문 링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202500498