친환경 수소 경제 실현 가속화… 세계적 학술지에 연구 성과 게재

전북대학교(총장 양오봉) 사범대 과학교육학부 및 대학원 에너지저장·변환공학과 김도환 교수 연구팀이 귀금속 없이도 높은 효율을 발휘하는 친환경 수소 생산 촉매를 개발했다. 이 연구 성과는 수소 경제 시대를 앞당길 혁신적인 기술로 평가되며, 세계적 권위 학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy에 게재됐다.

귀금속 없이도 강력한 수소 생산 촉매 구현

물을 전기분해해 수소를 생산하는 과정에서 촉매는 필수적이지만, 기존 촉매는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 귀금속을 기반으로 하여 높은 비용이 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 이에 김도환 교수팀(호아 반 히엔 연구교수, 마이마이 박사과정생)은 귀금속 없이도 우수한 촉매 성능을 보이는 신소재 개발에 성공했다.

연구팀은 전극 지지체로 니켈 폼(Ni foam)을 사용하고, 그 위에 원자 단위로 텅스텐(W)을 도핑한 NiO/Cr₂S₃ 나노튜브 이종구조를 합성하는 방식을 채택했다. 이를 위해 전기도금(electrodeposition)과 에칭(etching) 공정을 결합한 혁신적인 합성 기법을 활용해 고성능 다기능성 전극 촉매를 구현했다.

상용 촉매를 능가하는 성능 입증

실험 결과, 개발된 W-도핑 NiO/Cr₂S₃ 촉매는 수소 발생 반응(HER)에서 90mV, 산소 발생 반응(OER)에서 237mV의 낮은 과전압을 기록하며 기존 상용 촉매(Pt-C, IrO₂)를 뛰어넘는 성능을 보였다.

또한, 촉매를 적용한 전해 전지 실험에서 1.0M KOH 용액 내에서 50시간 이상 안정적인 성능을 유지했으며, 10mA cm⁻²의 조건에서도 1.58V의 낮은 전압으로 물 분해가 가능함을 입증했다. 이는 기존 상용 촉매 대비 높은 내구성과 효율성을 갖춘 혁신적 촉매 기술임을 의미한다.

전자 구조 분석으로 성능 향상 원리 규명

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 분석을 활용해 텅스텐(W) 도핑이 NiO/Cr₂S₃의 전자 구조를 조절해 촉매 활성을 극대화한다는 점을 밝혀냈다. 특히, 니켈(Ni) 활성 사이트에서 높은 에너지를 갖는 비결합성 상태가 형성되면서 수소와의 강한 상호작용이 유도된 것이 주요 성능 향상 요인으로 분석됐다.

김도환 교수는 “이번 연구를 통해 귀금속 없이도 저비용·고성능의 수소 생산 촉매를 개발하는 데 성공했다”며 “이는 친환경 수소 경제를 실현하는 핵심 기술로, 앞으로 실용화 연구를 더욱 적극적으로 추진할 계획”이라고 밝혔다.

산업 적용 및 추가 연구 진행 중

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업, 교육부의 BK21 FOUR 사업, 지자체-대학 협력기반 지역혁신(RIS) 사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀은 현재 해당 촉매 기술의 특허를 출원했으며, 산업 적용을 위한 후속 연구를 진행 중이다.

수소 에너지의 핵심 기술로 주목받고 있는 이번 연구는 기존의 고가 귀금속 촉매 의존도를 낮추고, 수소 생산 비용 절감을 가능하게 함으로써 지속 가능한 수소 경제 구현에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

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