니켈·코발트·철 활용 … 귀금속 촉매 비용·희소성 한계 보완
장시간 작동에도 높은 활성·내구성 … 향상 원리도 규명
국내 대학 연구진이 니켈·코발트·철 등 비귀금속을 활용해 높은 활성과 내구성을 갖춘 수전해 전극 촉매를 개발했다. 귀금속 의존도를 낮추면서 장시간 사용할 수 있어 친환경 수소 생산 기술에 활용될 것으로 기대된다.
단국대학교는 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 니켈(Ni)·코발트(Co)·철(Fe)을 이용해 고성능 수전해 전극 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.
수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 만드는 기술이다. 이 과정의 ‘산소 발생 반응(OER)’에 많은 에너지가 필요해 고성능 촉매가 생산 효율을 좌우한다.
기존에는 루테늄과 이리듐 등 귀금속 촉매가 주로 사용됐지만 가격이 비싸고 희소성이 높아 대규모 상용화에 한계가 있다. 대안으로 니켈 기반 촉매가 주목받고 있으나 장시간 사용하면 구조가 변하면서 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 니켈·코발트·철 합금의 표면을 전기화학적으로 재구성해 전기가 잘 통하는 내부와 화학반응이 활발하게 일어나는 다공성 표면을 결합한 ‘계층형 구조’를 구현했다.
이 구조가 활성과 안정성을 높이는 원리도 확인했다. 실시간 X선 분석과 계산과학을 활용한 결과 니켈의 활성 구조가 산화·환원 과정에서 안정적으로 변화하고 다시 회복되는 현상이 나타났다. 철 성분이 촉매 밖으로 빠져나가는 현상을 억제하는 것도 장기 내구성을 높이는 데 중요한 역할을 하는 것으로 분석됐다.
개발한 촉매는 기존 니켈-철계보다 높은 전류밀도에서도 우수한 성능을 보였으며, 화학반응이 일어나는 속도를 나타내는 반응활성빈도(TOF)는 기존 금속 합금보다 약 7배 높았다. 태양광·풍력처럼 전력 공급이 일정하지 않은 환경을 모사한 반복 작동 시험에서도 내구성을 확인했다. 산소 발생 반응뿐 아니라 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 성능을 나타냈다.
이용걸 교수는 “다성분 비귀금속 촉매의 활성과 안정성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 규명했다”며 “대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산은 물론 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
연구 결과는 나노재료기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 지난 3일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
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