"고온·고전류 수전해 한계 넘었다"…광운대, 고내구성 수소 촉매 시연

가혹한 산업용 수전해 환경에서도 성능 저하 없이 그린 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 비귀금속 기반 이중 기능 전기촉매 기술이 개발됐다.

광운대학교는 이지훈 전자공학과 교수 연구팀(제1저자 슈미야 연구원)이 망간-니켈-붕소-인화물(Mn-Ni-B-P) 원형 마이크로 클러스터(CMC) 구조의 이중 기능 전기촉매를 최초로 시연했다고 17일 밝혔다.

전기화학적 물 분해를 통한 그린 수소 생산은 탄소 배출이 없는 청정 에너지 제조 방식이지만, 기존 귀금속 촉매의 높은 가격과 가혹한 알칼리 조건에서의 빠른 성능 저하가 상용화의 걸림돌로 지목됐다.

연구팀은 단일 단계 수열 합성법을 통해 MnNiBP 원형 마이크로 클러스터 촉매를 제조했다. 이 촉매는 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)의 에너지 장벽을 동시에 낮추는 이중 기능을 갖췄다. 100 mA/cm² 전류 밀도에서 HER 88 mV, OER 290 mV의 낮은 과전압을 기록했으며, 6 M KOH 고농도 알칼리 용액에서도 안정적인 전체 물 분해 성능을 나타냈다.

특히 산업 가동 조건인 1000 mA/cm²의 고전류 밀도에서 150시간 연속 작동 시에도 performance 저하가 거의 나타나지 않는 고내구성을 입증했다. Pt/C 양극과 결합한 하이브리드 시스템에서는 2000 mA/cm² 고전류에서 2.56 V라는 기록적인 저전압 동작을 달성해 기존 벤치마크 구성 대비 에너지 효율을 크게 높였다.

이 교수는 "Mn, Ni, B, P 각 원소 간의 시너지 효과가 반응 속도를 높이고 전자 전달을 용이하게 해 고주파·고전류 환경에서도 뛰어난 활성을 유도한 결과"라고 설명했다.

한국연구재단 BK21+, 중점연구소 사업 및 광운대의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 '머티리얼스 리포트: 에너지'(Materials Reports: Energy, IF: 16.2) 온라인판에 게재됐다.