기계공학부 정형모 교수팀, ‘숨은 산소’ 깨워 그린 수소 만든다... 차세대 물 분해 촉매 원천기술 개발

- 0.1 옹스트롬(Å) 수준으로 원자 간격 좁혀 새로운 반응 경로 활성화... 비싼 귀금속 의존 탈피

- 100시간 이상 고내구성 확보 및 아연-공기 전지 적용 가능... 친환경 에너지 플랫폼 상용화 가속

▲ (왼쪽부터) 교신저자 기계공학부 정형모 교수, 경북대 신소재공학과 이지훈 교수, 주저자 기계공학부 권순형 연구원

기계공학부 정형모 교수 연구팀은 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 원자 단위의 결합 간격을 정밀하게 제어하여 소재 내부에 숨겨진 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시키는 고효율 비귀금속 물 분해 촉매 소재를 개발했다.

온실가스 배출 없이 깨끗한 수소를 생산하는 수전해(물 분해) 기술은 탄소중립 실현을 위한 꿈의 기술로 불린다. 하지만 물을 분해하여 수소를 얻는 과정에서 산소가 발생하는 반응은 그 속도가 매우 느려, 전체 수소 생산 효율을 떨어뜨리는 가장 큰 ‘병목 현상’으로 작용해 왔다. 이를 해결하기 위해 기존에는 이리듐(Ir)이나 루테늄(Ru) 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용해야만 했으며, 이는 수소 생산 비용을 높이는 원인이 되었다.

정형모 교수 공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘하향식(Top-down) 소재 설계 기술’을 도입했다. 연구팀은 전기화학적 방법을 통해 기존의 덩어리 형태 코발트 산화물을 2나노미터(nm) 이하의 미세한 나노 클러스터로 쪼개는 데 성공했다. 이 과정에서 코발트 금속과 산소 원자 사이의 결합 길이를 기존보다 약 0.1 옹스트롬(Å, 100억 분의 1미터) 수축시켜 미세하게 조절했다. 포항가속기연구소(PAL)의 고성능 분석 결과, 약 2.03 Å의 원자 결합 길이가 새로운 반응 경로를 유도하는 최적의 조건임을 세계 최초로 규명해낸 것이다.

▲ 하향식(Top-down) 소재 설계 기술을 활용한 원자 결합 제어 원리, 전기화학적 반응 경로 및 이를 활용한 에너지 변환 장치

이 기술의 핵심은 금속과 산소 사이의 결합을 강하게 만들어, 촉매 내부 구조에 숨어있던 ‘격자 산소’를 반응에 직접 참여시킨 점에 있다. 이를 통해 개발된 나노 촉매는 고가의 상용 이리듐 촉매보다 더 낮은 에너지에서도 탁월한 성능을 발휘했다. 특히 실제 시스템 적용 시 고전류 조건에서 100시간 이상 성능 저하 없이 구동되는 강력한 내구성을 증명했으며, 차세대 에너지 저장 장치인 아연-공기 전지에서도 우수한 충전 안정성을 보여주며 다목적 에너지 활용 가능성을 입증했다.

기계공학부 정형모 교수는 “이번 연구는 원자 단위의 결합 거리를 미세하게 제어함으로써 촉매 반응의 경로 자체를 완전히 바꿀 수 있음을 실증한 성과”라며, “값비싼 귀금속을 대체해 고효율 그린 수소를 생산하는 것은 물론, 향후 다양한 차세대 친환경 에너지 장치의 상용화를 앞당기는 중요한 기준이 될 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적 권위지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 21.1)’에 게재되었다.

※ 논문명: The role of chemical bond contraction induced via nanoclusterization of cobalt oxide triggering robust lattice oxygen mechanism during the oxygen evolution reaction

※ 학술지: Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 21.1)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126857