국내 연구진이 귀금속 사용을 대폭 줄이면서도 성능을 끌어올린 수전해 전극을 개발해 차세대 그린수소 생산 기술의 상용화 가능성을 높였다.
한국공학대학교(총장 황수성)는 박지은 융합기술에너지대학원 교수 연구팀이 저비용 알칼라인 수전해(AWE)와 음이온 교환막 수전해(AEMWE)에 적용 가능한 고성능 인(P)화 니켈·철 수소 발생 전극을 개발했다고 11일 밝혔다.
알칼라인 기반 수전해 장치인 AWE와 AEMWE는 백금 등 고가의 귀금속 촉매를 쓰지 않아도 된다는 점에서 차세대 그린수소 생산 기술로 주목받아 왔다. 그러나 비귀금속계 수소 발생 반응(HER) 촉매는 전기화학적 성능이 상대적으로 낮아, 특히 AEMWE 분야에서는 여전히 귀금속 촉매 의존도가 높은 한계가 있었다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 니켈·철 전극에 인(P) 도핑과 인화 열처리를 적용해 HER 활성을 높였다. 기존 산소 발생 전극 연구에서 개발한 일체형 전극 구조를 기반으로 소재 조성과 열처리 공정을 최적화함으로써, 저비용이면서도 높은 반응 효율을 확보하는 데 주력했다.
실험 결과, 물리적·화학적·전기화학적 분석과 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 전극의 구조적 안정성과 전기화학적 특성이 확인됐다. 단위전지 성능 평가에서는 AWE와 AEMWE 장치 모두에서 기존 전극 대비 향상된 성능을 보였으며, 선행 연구들과 비교해도 경쟁력 있는 수준의 전류밀도를 기록했다. 연구팀은 AWE에서 약 1암페어 퍼 제곱센티미터(A/㎠), AEMWE에서 약 2A/㎠의 성능을 달성했다.
이 연구는 한국과학기술연구원 박성빈 박사와 신유진 서울대학교 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 한국공학대 기민석 석사과정생과 이대현 학사과정생이 공동 연구자로 함께했다.
박지은 교수는 “이번 연구는 전 공정에 비귀금속 촉매만을 적용한 수전해 시스템 구현 가능성을 제시한 성과”라며 “향후 그린수소 생산 단가를 낮추는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal(IF 13.2)'에 온라인으로 게재됐다.
시흥=김동성 기자 estar@etnews.com
