ESG위한 신개념 수전해 전극 촉매 개발, 

연구 어벤저스들이 해내다
고려대-경북대-KIST-KAIST-KBSI 공동연구팀
탄소중립 수소연료 생산을 위한 고성능·반영구 전극 촉매 개발
재료과학분야 국제학술지 ‘Matter’에 논문 게재

윗줄 왼쪽부터 고려대 화학과 김병윤 박사(제1저자),  이광렬 교수(교신저자)

가운데 왼쪽부터  경북대 Dr. Mrinal K. Kabiraz 교수, 최상일 교수

아랫줄 왼쪽부터 KAIST 이재완 연구원, 정유성 교수, KIST, 오형석 박사

친환경-탄소중립 수소생산을 위해 낮은 가격/고성능/고내구성 삼박자를 갖춘 새로운 수전해 전극 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전기화학적으로 물을 분해하여 수소를 제조하는 수전해법은 친환경-탄소중립 수소연료를 얻을 수 있는 청정 기술로서 주목받고 있으며, 특히 화석연료 자원이 매우 적은 대한민국의 차세대 유전이 될 것으로 기대되고 있다. 그러나 높은 에너지 효율을 위해 필요한 핵심 소재, 촉매로 사용되는 이리듐은 백금의 5배에 달하는 높은 가격과 낮은 내구성을 가지고 있어서 기술 상용화의 장벽이 되어왔기에 이를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필수적이다.
* 수전해 : 물 분자(H2O)에 전기에너지를 공급하여 수소(H2)와 산소(O2) 기체를 생산하는 기술로써, 수소가 연소하여 에너지를 방출하는 과정의 역과정이다. 전기에너지를 가스 연료의 형태로 저장하는 방법이며, 수전해 반응의 효율은 촉매의 성능에 크게 영향을 받는다.

고려대 화학과 이광렬 교수와 김병윤 박사는 경북대학교(Dr. Mrinal K. Kabiraz, 최상일 교수), 한국과학기술연구원(KIST, 오형석 박사), 한국과학기술원(KAIST, 이재완 연구원, 최창혁 박사, 정유성 교수), 한국기초과학지원연구원(KBSI, 백현석 박사) 등과 공동연구를 통해 흔한 원소인 니켈과 철을 기반으로 하는 나노입자를 합성하고, 이리듐 촉매를 뛰어넘는 높은 에너지 효율과 반영구적인 내구성을 가지는 새로운 촉매를 개발했다.

연구결과는 재료과학분야의 권위 있는 국제학술지 ‘Matter’(IF15.589)에 9월 22일 온라인 보도됐다.
* 제목 : Vertical-crystalline Fe-doped β-Ni oxyhydroxides for highly active and stable oxygen evolution reaction
* 저자 : Byeongyoon Kim, Mrinal Kanti Kabiraz, Jaewan Lee, Changhyeok Choi, Hionsuck Baik, Yousung Jung,
        Hyung-Suk Oh, Sang-Il Choi, and Kwangyeol Lee* DOI : https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.003

연구진은 니켈기반 산화물과 수산화물의 특이적인 결정결합 구조를 고안하여 약 30나노미터 정팔면체 형태의 수직결정 헤테로에피택시 촉매입자를 합성했고, 나노촉매가 도포된 전극에 전류를 흘려주면 물을 분해하여 수소와 산소 기체를 생산하는 수전해 전지를 제작했다.
* 헤테로에피택시 : 서로 다른 결정구조를 가진 물질이 특정한 결정면으로 접합되어 방향성 있는 계면 구조를 형성하는 현상으로, 본 연구에서는 니켈 수산화물 결정이 수직한 방향으로 형성되도록 유도하였다.
 
새로 개발된 나노촉매는 알칼라인 수전해 반쪽전지에서 기존 상용 이리듐 촉매 대비 20배 이상 증가한 촉매 활성도를 보였으며, 상용 이리듐 촉매가 수소생산 구동 2시간 만에 초기성능의 70%를 상실한 것에 비해 새로운 나노촉매는 100시간의 구동에도 초기성능을 완전하게 유지했다. 제 1저자인 고려대 화학과 소속 김병윤 박사는 “서로 다른 결정성 물질을 접합한 것이 기술의 핵심이며, 촉매 활성이 높지만 불안정한 물질을 안정한 물질의 표면에 단단히 고정하여 매우 높은 성능과 반영구적인 내구성을 동시에 확보할 수 있었다.”고 설명했다. 또한, 결정결합과정에서 제어된 나노미터 규모의 구조 성형원리와 그로인한 독자적인 물성을 규명하는 것이 연구의 핵심이라고 전했다.

이번 연구는 한국연구재단(중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 4단계BK21사업 등)을 비롯해 KIST, KBSI, 국가슈퍼컴퓨팅센터 등의 지원을 받아 진행됐다.


[ 그 림 설 명 ] 

▲ (그림1) 연구진이 개발한 나노입자의 개념도와 원자 해상도 전자현미경 촬영 사진

▲ 그림(2) 촉매(*)작용에 따른 수전해 반응식과 수전해 전지의 구성도

연구진이 개발한 촉매의 활성 및 내구성 데이터 수전해 반응은 전해전지의 음극과 양극에서 각각 수소발생반응과 산소발생반응이 일어난다. 연구진이 제조한 수전해 전지는 고체전해질로 구분된 전지의 양쪽에 수소발생반응을 위한 백금 촉매와 산소발생반응을 위한 철/니켈 기반 나노촉매를 도포하여 조립되며, 완성된 수전해 전지에 물과 전기에너지를 공급하면 전지 양쪽에서 수소와 산소 기체가  각각 생산된다. 우측의 그래프는 공급하는 전기(전압)에 대한 촉매의 산소발생 반응 응답성(전류)을 보여주는 실험결과로, 210 mV의 낮은 과전압은 높은 촉매 활성도를, 4일동안의 촉매반응 후에도 전류량이 감소하지 않는 것(점선)은 높은 촉매 내구성을 보여준다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)