단국대 이용걸 교수 연구팀, 수소 생산 효율 높이는 비귀금속 촉매 개발

[충청뉴스 김남숙 기자] 단국대학교 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 니켈(Ni)·코발트(Co)·철(Fe) 등 비귀금속을 활용해 높은 활성과 내구성을 동시에 갖춘 수전해 전극 촉매를 개발했다.

이번 연구는 고가의 귀금속을 사용하지 않으면서도 수소 생산에 필요한 산소 발생 반응(OER)의 효율을 높이고, 장시간 운전에서도 촉매 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 기술을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 친환경 수소 생산 기술이다. 이 가운데 산소 발생 반응은 높은 에너지가 필요해 수전해 시스템의 전체 효율을 좌우하는 핵심 반응으로 꼽힌다.

현재 루테늄(Ru)과 이리듐(Ir) 등 귀금속 기반 촉매가 높은 촉매 활성을 보이고 있지만, 가격이 비싸고 매장량이 제한적이라는 점에서 대규모 상용화에 한계가 있다. 이에 따라 니켈과 철 등 비교적 저렴하고 풍부한 비귀금속을 활용한 촉매가 대안으로 주목받고 있다. 다만 니켈 기반 촉매는 장시간 작동 과정에서 활성 구조가 변하고 성능이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 Ni-Co-Fe 합금 표면을 전기화학적으로 재구성해 내부의 전기전도성을 유지하면서 표면에서는 전기화학 반응이 활발하게 일어나는 다공성 활성층을 형성하는 계층형(hierarchical) 구조를 구현했다.

특히 연구팀은 실시간 X선 흡수분광 분석과 계산과학을 결합해 촉매가 높은 활성과 안정성을 나타내는 원리를 원자 수준에서 분석했다. 그 결과 니켈 활성상이 산화·환원 과정에서 안정적으로 변화하고 다시 회복되는 특성이 촉매의 장기 안정성에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 또한 철(Fe) 성분의 용출이 억제되면서 촉매 구조가 안정적으로 유지되는 점도 높은 활성과 내구성을 확보하는 핵심 요인으로 확인됐다.

개발된 촉매는 기존 니켈-철계 층상 이중 수산화물(NiFe-LDH) 촉매보다 높은 전류밀도에서 우수한 성능을 유지했으며, 기존 금속 합금 촉매와 비교해 약 7배 높은 반응활성빈도(TOF)를 나타냈다.

또한 태양광과 풍력 등 재생에너지의 변동성 있는 전력 공급 환경을 모사한 반복적인 작동 시험에서도 우수한 내구성을 유지했다. 산소 발생 반응뿐만 아니라 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 성능을 보여, 수전해 기반 수소 생산뿐 아니라 요소를 활용한 차세대 친환경 수소 생산 기술에도 적용 가능성을 제시했다.

이용걸 교수는 “이번 연구는 실시간 X선 흡수분광과 계산과학을 융합해 다성분 비귀금속 촉매의 활성과 안정성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 규명했다는 데 의미가 있다”라며 “향후 대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산 기술은 물론 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에도 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 나노재료기술 분야 국제학술지 「Small」(2024년 영향력지수 12.1)에 지난 8월 3일 온라인 게재됐다. 논문명은 「In Situ XANES and DFT Insights Into Hierarchical NiCoFe Catalysts for Highly Active and Durable Oxygen Evolution and Urea Oxidation」이며, 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.