화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀,

전해질 내 극미량 금속이온과 촉매 구조 간 

상호작용 규명을 통한 고활성 수전해 촉매기술 개발

- 고효율/고안정성 차세대 전기촉매 소재 개발을 위한 전해질/촉매 간 상관관계의 기초원리 규명

[사진] 유필진 교수, 최관현 박사, Clament 박사(왼쪽부터)

성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구진(제1저자 Clament Sagaya Selvam 박사 및 공동저자 최관현 박사)과 윤원섭 교수 연구진은 서울대학교 이원보 교수의 계산연구진과 함께, 물에 전력을 인가하여 수소‧산소 기체를 생산하는 수전해 기술의 효율을 결정하는 산소발생반응(수소발생반응의 짝반응) 촉매의 표면과 전해질과의 상호작용 기초 원리를 규명하고 이를 기반으로 높은 효율과 안정성을 보이는 고성능 촉매를 개발하는 데 성공했다.

* 수전해(Water electrolysis): 물 전기분해라고도 불리며, 전기 에너지를 통해 물에 산화/환원 화학반응을 유도하여 수소와 산소 기체로 분해시키는 기술

2050 탄소중립이라는 공공의 목표를 위해 전 세계적인 탈탄소화 전략이 논의되고 있으며, 우리나라는 탄소중립 아젠다의 적극적인 실현을 위해 청정 수소를 10대 기술 중 하나로 선정해 총괄적인 수소관련 기술 개발을 진행하고 있다. 따라서 수소에너지는 산업적, 경제적 파급효과가 막대한 미래 에너지 기술 자원이자 새로운 신성장 동력이다.

[연구그림 1] 산소발생반응 각 단일 단계 반응의 모색도

현재까지도 수소 생산의 97% 이상은 석탄과 같은 화석에너지 연료 기반의 개질공정을 통해 이루어지고 있고, 이를 대체하기 위해 적은 에너지로도 물을 분해하여 수소 및 산소를 생산할 수 있는 고성능 전기촉매의 개발이 요구되고 있다. 하지만 수전해 과정에서 상대적으로 용이하게 진행되는 수소발생 반응과는 달리 산소발생 반응은 높은 에너지 부하를 요구하면서도 촉매활성의 저하가 빠르게 진행되어, 수전해 기술의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌로 작용해왔다.

연구진은 나노구조를 가진 다양한 전도성 기재(코발트-황, 코발트-인, 코발트-셀레늄 화합물) 표면 3종류에 대해 산소 발생 반응 전후의 구조 변화 관찰을 통해, 각 촉매 소재가 전해질 상으로 용해되는 현상을 관찰하고, 그 결과 코발트-황 화합물 소재가 장시간 구동 안정성이 확보된 형태의 우수한 전도성 기재임을 확인했다.

[연구그림 2] 최종 촉매 구조의 형성 모색도

하지만 코발트-황 기재에서의 황 원소가 촉매 구동 중 용출이 되는 현상이 발생하여, 이러한 용출 현상을 개선하면서도 촉매 성능을 향상시키기 위해 효과적인 산소발생 촉매로 알려진 니켈옥시하이드록사이드(NiOOH) 층을 전기도금법을 이용하여 얇게 코팅했다. 그 결과, 동일한 조건에서 구동 안정성이 비약적으로 향상되면서, 이와 동시에 촉매 효율도 높아지는 특성을 확보했다.

나아가 연구진은 촉매의 효율과 내구성이 동시에 향상되는 현상이 단순히 표면에 새롭게 코팅된 니켈옥시하이드록사이드 층의 우수한 촉매 성능에서 기인한 것이 아니라, 전해질 내 1pm 수준으로 극미량 존재하는 철 이온이 촉매 성능에 지대한 영향을 주는 것을 규명했다. 특히, 니켈옥시하이드록사이드 촉매 표면과 전해질 내의 철 이온이 동적으로 실시간 상호작용을 함으로써 철이 도핑된 형태의 니켈옥시하이드록사이드 촉매 층으로 재건되는 현상을 세계최초로 규명했다.

* 1 ppm: 백만분의 1 (0.0001%)에 해당하는 극미량 농도

또한 연구진은 다양한 전기화학적 분석, 실시간 X-선 흡수 분광법* 및 계산과학을 이용한 분석 결과를 바탕으로 촉매 성능 향상의 주요 원인이 기존 니켈옥시하이드록사이드 촉매 표면 상 미량의 철 금속 원자가 효과적으로 함침되어 발생되는 다양한 시너지 효과임을 규명했다.* 실시간 X-선 흡수 분광법(operando X-ray Absorption Spectroscopy): 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 성질이 물질에 따라 다르다는 특성을 이용. 특히 촉매의 산화수 및 결합 구조 등이 전기화학 반응 중 어떻게 변화하는지에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 고도 분석 방법

연구진은 철 금속원자 도핑-니켈옥시하이드록사이드로 이루어진 신규 산소발생 촉매를 수전해 장치의 음극에 적용하였으며, 그 결과 기존의 이리듐 촉매를 사용한 상용 수전해 장치에 비해 비약적으로 향상된 산소 발생 성능을 달성하였고(0.345 V 과전압 인가조건에서 400 mA 전류 출력 발생), 50시간 이상의 장기구동에서도 높은 전류 출력 성능을 유지함으로써 높은 내구성을 갖는 것을 확인했다.

개발된 기술은 새로운 촉매구조를 제안하고 신규 반응기작을 규명한 연구의 일환으로, 고효율 산소발생반응용 촉매 소재 디자인의 범주를 넓힐 수 있고, 향후 다양한 금속산화물 기반 촉매소재 개발을 통한 산업발전에도 직접적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업, 중견연구자사업 및 기초연구실 사업의 지원으로 수행되었으며, 에너지과학/첨단소재 분야의 세계적 권위지인 미국 화학회의 ACS Energy Letters (Impact Factor: 23.101, JCR 나노과학기술분야 상위 3.3%) 저널에 표지논문으로 12월 10일자로 게재되었다.  

※ 논문명 : “Unveiling the Impact of Fe Incorporation on Intrinsic Performance of Reconstructed Water Oxidation Electrocatalyst”

※ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c01983