고려대 박혜성 교수팀, 귀금속 없이도 고효율 수소 생산하는 차세대 전극 개발

고려대학교는 고려대-한국과학기술연구원(KU-KIST) 융합대학원 박혜성 교수 연구팀이 고성능과 안정성을 동시에 갖춘 비귀금속 기반 수소 발생 전극을 개발했다고 11일 밝혔다.

니켈 기반의 수소 발생 촉매는 귀금속을 대체할 수 있는 저가 소재로 주목받고 있지만, 알카라인 환경에서는 물 분자의 느린 해리 반응(물 분자가 양성자와 수산화 이온으로 분해되는 초기 단계)으로 말미암아 고효율 수소 생산에 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 준 페로브스카이트(pseudo-perovskite) 산화물 지지체(LSCF) 표면에 코발트-니켈 합금(CoNi) 나노입자를 직접 성장시키는 새로운 구조의 촉매를 설계했다. 이 구조는 물 분자의 해리 반응이 원활히 일어나도록 표면 반응 환경을 조성해 수소 발생 속도를 크게 향상했다.

또한 별도의 접합재 없이 촉매와 전극이 일체화된 자가지지형 니켈 단일체 구조를 통해 산업 환경에서도 장시간 안정적인 수소 생산이 가능함을 증명했다.

CoNi-LSCF 촉매 전극은 이런 구조적 특성을 바탕으로 낮은 전압에서도 수소를 효과적으로 생성했다. 10밀리암페어 매 제곱센티미터(㎃ ㎝−2) 전류 밀도에서 28밀리볼트(㎷)의 낮은 과전압을 기록했다. 산업 환경 조건(1A ㎝−2, 6M KOH, 50°C)에서도 400시간 이상 안정적으로 작동해 우수한 내구성과 실용 가능성을 입증했다.

박 교수는 "이번 연구는 촉매 성능 향상뿐만 아니라 촉매 표면에서의 반응 환경과 작동 원리까지 정밀하게 설계한 사례"라며 "고가의 귀금속 없이도 산업 환경에서 수소의 효율적 생산이 가능함을 보여준 점에서 의미가 크다"고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지 분야의 저명한 국제 학술지 '미국화학회 에너지 레터(ACS Energy Letters)'에 지난달 30일 온라인 게재됐다. 정슬기 연구원이 제1저자, 박 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 글로벌 기초연구실 지원사업과 개인기초연구 중견연구자지원사업, 산업통상자원부가 추진하는 에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.