<(왼쪽부터)숭실대학교 박경원 교수, 김지웅 교수 (사진=숭실대 제공)>

 

숭실대 연구팀은 값싼 비귀금속 인화물을 활용한 소량의 니켈을 도핑한 구형의 코발트 인화물 촉매를 개발해 귀금속 촉매 수준의 성능을 달성했다. 헤테로원자(이종원소, Heteroatom) 도핑과 전극 구조 설계를 통해 촉매 활성 및 안정성을 향상시켰으며, 효율이 향상된 수소생산 시스템을 구현했다고 밝혔다.

수전해 기술의 촉매 연구는 미래의 에너지 운반체인 그린수소의 가격을 낮출 수 있으며, 시스템 효율을 향상하기 위한 필수 기술이다. 가격 경쟁력과 시스템 작동 효율을 고려했을 때, 음이온 교환막 수전해 시스템은 차세대 수전해 시스템으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 주로 가격이 저렴하고 안정한 비귀금속 기반 촉매 소재를 활용하고 있다. 그중 전이금속 인화물은 비독성, 저렴한 가격, 높은 전기전도도와 열적/화학적/기계적 안정성으로 많은 주목을 받는 소재이다.

숭실대 화학공학과 박경원 교수 연구팀은 수열합성법과 인화물화 과정을 통해 합성한 구형의 인화물 촉매를 폼 형태의 니켈 기반 기체 확산층 표면에 성장시키는 방법으로 고성능의 산소 발생 반응용 촉매 전극을 제작했다. 폼 형태의 지지체 표면에 결합한 형태로 제작하여 실제 작동 조건과 비슷한 단위전지에 적용했으며, 다공성인 니켈 폼의 기공 크기를 제어함으로써 최적화된 성능을 보이는 촉매 전극을 개발했다. 또한, 단일 금속 인화물에 비해 헤테로원자 도핑을 진행한 인화물은 더 좋은 활성을 보일 수 있어 코발트 인화물 촉매에 니켈을 도핑하여 전기화학적 성능 개선을 이뤄냈다. 소량 첨가된 니켈은 불균일 핵생성 지점으로 작용하여 평균 입자 크기를 줄였고, 촉매의 활성면적이 증가했다.

또한, 숭실대 신소재공학과 김지웅 교수 연구팀과 함께 시뮬레이션을 통해 니켈이 도핑됨에 따라 니켈보다는 코발트의 활성이 증대하며, 최적의 도핑비율에서 효율적인 전하전달 속도 및 에너지 장벽의 감소 효과를 보인다는 것을 규명했다.

최적화된 촉매 전극은 알칼라인 분위기에서 작동하는 음이온 교환막 수전해 시스템의 셀 전압 1.8V에서 전류밀도 1.14A/㎠를 보여, 상용화할 수 있는 수준의 활성을 보였으며, 이리듐 산화물 촉매가 적용된 수전해 시스템(1.8V에서 1A/㎠)에 비해 우수한 활성으로 가격이 절감된 수전해 시스템 개발의 가능성을 확인했다. 250시간 동안의 안정성 테스트에서도 거의 변화 없이 안정적으로 구동되는 것을 확인했다.

본 연구팀이 개발한 새로운 형태의 수전해 시스템인 리튬이온 교환막을 활용한 수전해 시스템에서도 셀 전압 1.8 V에서 전류밀도 1.03 A/cm2를 나타내어 다양한 시스템에 적용 가능성을 보였다.

박경원 교수는 “음이온 교환막 수전해 촉매 및 시스템 개발을 통한 그린 수소 생산은 탄소 중립 달성에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구 성과는 환경공학 분야 1위 국제학술지 어플라이드 카탈리시스 비: 인바이런멘탈 (Applied Catalysis B: Environmental, 피인용지수=21.41)에 2023년 2월 10일(금) 온라인 게재됐으며, 본 연구과제는 한국연구재단 수소에너지혁신기술개발사업의 지원받아 수행됐다.

 

홍보팀(pr@ssu.ac.kr)