고려대, 성능·안정성 갖춘 차세대 수소 발생 전극 개발

촉매 표면 반응 환경 정밀 제어

수소 생산 효율 극대화

'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters(IF=18.2)' 온라인 게재

사진은 고려대 KU-KIST 융합대학원 박혜성 교수(왼쪽, 교신저자), 고려대 정슬기 연구원(제1저자). (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 고려대 KU-KIST 융합대학원 박혜성 교수 연구팀이 높은 성능과 안정성을 동시에 갖춘 비귀금속 기반 수소 발생 전극을 개발했다.

니켈 기반의 수소 발생 촉매는 귀금속을 대체할 수 있는 저가 소재로 주목받고 있다. 그러나 알칼라인 환경에서는 물 분자의 느린 해리 반응(수소 발생 반응에서 물 분자가 양성자와 수산화 이온으로 분해되는 초기 단계)으로 인해 고효율 수소 생산에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 준 페로브스카이트(결정질 페로브스카이트 구조에 비정질 영역과 소량의 기능성 산화물상이 혼재된 복합 산화물 구조) 산화물 지지체(LSCF) 표면에 코발트-니켈 합금(CoNi) 나노입자를 직접 성장시키는 새로운 구조의 촉매를 설계했다.

CoNi-LSCF 전극의 합성 모식도(왼쪽),표면 이미지. (사진=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

이 구조는 물 분자의 해리 반응이 원활히 일어날 수 있도록 표면 반응 환경을 조성해, 수소 발생 속도를 크게 향상시켰다.

또한 촉매와 전극이 일체화된 자가지지형 니켈 단일체 구조(니켈이 전극의 지지체이자 수소 발생 반응의 활성 부위로 동시에 작용하는 구조)를 통해 산업 환경에서도 장시간 안정적인 수소 생산이 가능함을 증명했다.

이러한 구조적 특성을 바탕으로 CoNi-LSCF 촉매 전극은 낮은 전압에서도 수소를 효과적으로 생성하는 성능을 보였다.

10 밀리암페어 매 제곱센티미터(mA cm−2) 전류 밀도에서 28 밀리볼트(mV)의 낮은 과전압을 기록했다. 산업 환경 조건(1Acm−2, 6M KOH, 50°C)에서도 400시간 이상 안정적으로 작동했다.

박 교수는 "이번 연구는 촉매 성능 향상뿐만 아니라, 촉매 표면에서의 반응 환경과 작동 원리까지 정밀하게 설계한 사례"라고 설명했다.


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