숭실대는 화학공학과 강범구 교수와 박경원 교수 공동 연구팀이 수전해 효율을 높일 수 있는 고성능 음이온교환막 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

음이온교환막은 수전해 과정에서 수산화 이온이 이동하는 통로 역할을 하는 핵심 소재다. 높은 이온전도도와 함께 알칼리 환경에서도 장기간 안정적으로 작동해야 하지만 전도도를 높일수록 막 팽윤이 커져 기계적 안정성이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 고분자 사슬을 서로 연결하는 가교 구조 설계를 적용했다. 가교 구조는 막의 팽윤을 억제하면서 기계적 강도를 유지하는 역할을 한다. 알칼리 환경에서도 안정적인 피페리디늄 기반 구조를 도입해 내구성을 향상시켰다.

가교 정도가 다른 여러 음이온교환막을 제작해 성능을 비교한 결과 이온전도도와 기계적 안정성, 알칼리 내구성이 균형을 이루는 최적 조성을 도출했다.

해당 막을 수전해 셀에 적용한 실험에서는 상용 음이온교환막보다 높은 전류밀도를 기록했다. 전기화학 임피던스 분석에서 막 저항이 낮게 나타났으며 일정 전류 조건에서 100시간 이상 안정적으로 작동해 장기 운전 성능을 입증했다.

연구팀은 가교 구조 설계를 통해 음이온교환막 성능 요소 간 균형을 제어할 수 있음을 확인했다고 설명했다. 차세대 수전해용 막 소재 개발과 시스템 적용 연구로 확장할 계획이다.

강 교수는 “수전해용 음이온교환막의 핵심 성능을 동시에 확보할 수 있는 설계 전략을 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업·모아팹활용지원사업·G-LAMP 사업 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 국제 학술지 ‘유럽고분자저널’에 게재됐다.