[비욘드포스트 이봉진 기자] 단국대학교는 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등 비귀금속을 활용해 활성과 내구성을 높인 수전해 전극 촉매를 개발했다고 밝혔다.

수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 이 과정 중 산소 발생 반응(OER)에 많은 에너지가 소모되므로, 고성능 촉매의 확보가 수소 생산 효율을 결정짓는 핵심 요소로 꼽힌다.

기존에는 루테늄(Ru)이나 이리듐(Ir) 기반의 귀금속 촉매가 주로 사용됐으나 비용이 높고 매장량이 적어 상용화에 어려움이 있었다. 대안으로 연구되던 니켈 기반 촉매 역시 장시간 구동 시 활성 구조가 변형돼 성능이 떨어지는 한계가 존재했다.

이용걸 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 니켈-코발트-철 합금의 표면을 전기화학적 방식으로 재구성했다. 이를 통해 촉매 내부에 전도성을 확보하고 표면 반응을 촉진하는 다공성 활성층, 이른바 ‘계층형(hierarchical) 구조’를 구현하는 데 성공했다.

특히 연구팀은 실시간 X선 분석과 계산과학을 접목해 촉매의 내구성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 확인했다. 이를 통해 산화·환원 과정에서 니켈 활성상의 구조가 안정적으로 회복되고 철 성분의 용출이 억제되는 현상이 장기 내구성을 유지하는 핵심 원리임을 규명했다.

연구 결과, 이번에 개발된 촉매는 기존 니켈-철계 촉매(NiFe-LDH) 대비 높은 전류밀도에서도 성능을 안정적으로 유지했다. 기존 금속 합금과 비교해서는 반응활성빈도(TOF)가 약 7배 높은 것으로 나타났다.
또한, 태양광이나 풍력 등 전력 공급이 불규칙한 재생에너지 환경을 가정한 반복 작동 시험에서도 내구성을 유지했으며, 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 촉매 활성을 보였다.

이용걸 교수는 “실시간 X선 흡수분광과 계산과학을 융합해 다성분 비귀금속 촉매의 활성 및 안정성 향상 원리를 원자 단위에서 규명한 연구”라며 “대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산 기술을 비롯한 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에 기반 자료가 될 것”이라고 설명했다.

한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 나노재료기술 분야 국제학술지 '스몰(Small, IF 12.1)' 지난 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: In Situ XANES and DFT Insights Into Hierarchical NiCoFe Catalysts for Highly Active and Durable Oxygen Evolution and Urea Oxidation)

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