아주대학교 서형탁(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 교수 연구팀이 차세대 청정에너지원인 그린수소를 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있는 고성능·고안정성 비귀금속계 수전해 전극 촉매를 개발했다.

수전해 기술은 물을 전기분해해 탄소 배출 없이 고순도 수소를 얻는 기술로서 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술이다. 그러나 수소를 발생시키는 핵심 부품인 전극에 백금(Pt) 등 비싼 귀금속이 쓰여 장치 제작 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있었다.

이를 극복하기 위해 귀금속을 쓰지 않는 촉매 연구가 활발히 진행되어 왔다. 하지만 기존 비귀금속 촉매는 산성 환경에서 쉽게 부식되고 구조가 부서지는 한계가 있었다. 또한 반응 속도가 느리고, 반응을 일으키는 데 필요한 추가 에너지(과전위)가 높아 생산 효율이 떨어졌다. 촉매 성능을 높이기 위해 만든 황 원자 단위의 결함도 가혹한 작동 환경에서는 금속을 약하게 만들어 내구성을 낮췄다.

연구팀은 바나듐(V)과 몰리브덴(Mo) 기반의 황화물 격자 구조에 극소량의 인듐(In)을 첨가(도핑)하는 방식을 도입해 촉매 내부의 전자 구조를 정밀하게 제어했다. 그 결과 촉매 표면의 전기 전달 속도가 빨라졌으며, 수소 발생 반응에 필요한 에너지가 최적화되어 에너지 손실(과전위)을 크게 낮출 수 있었다. 

연구팀이 개발한 인듐 도핑 니켈-몰리브덴 황화물(In-doped NMS-4) 전극은 염기성 환경(수산화칼륨)에서 159 mV, 산성 환경(황산)에서 166 mV의 매우 낮은 과전위를 기록했다. 이는 기존 단일 금속 황화물 전극 대비 과전위를 4~50% 줄인 수치다. 학계와 산업계에 보고된 기존 비귀금속 황화물 전극(200~350 mV 수준)과 비교해도 확연히 향상된 성과다.

아울러 내구성 실험에서도 산성과 염기성 환경 모두에서 60시간 동안 성능 저하나 전극 손상 없이 안정적으로 작동했다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 새로운 촉매 기술이 수소의 흡착과 탈착이 가장 이상적인 균형을 이루는 것을 확인하기도 했다. 

서형탁 교수는 “이번 연구는 비귀금속 황화물 소재의 고질적 한계였던 산성 환경에서의 낮은 안정성과 염기성 환경에서의 느린 반응 속도를 동시에 극복한 성과”라며 “산성과 염기성 전 영역에서 상용 전극 수준의 낮은 과전위와 우수한 내구성을 입증한 만큼, 차세대 음이온 교환막(AEM) 및 양이온 교환막(PEM) 수전해 시스템에 즉시 적용될 수 있도록 대면적 상용화 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 ‘알칼리 및 산성 매질에서 고효율 수소 발생을 위한 Ni-Mo 황화물 복합체 내 인듐 도핑 유도 황 공공의 시너지 효과(Synergistic effect of indium doping-induced sulfur vacancies in Ni-Mo sulfide composites for highly efficient hydrogen evolution in alkaline and acidic media)’라는 제목으로 촉매 분야 국제 학술지 어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론먼트 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)에 게재됐다. 아주대 대학원 에너지시스템학과의 박사과정 무하메드 와카스(Waqas Muhammed) 학생이 제1저자로, 서형탁 교수가 교신저자로 참여했다.

서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)가 교신저자로 무하메드 와카스(Waqas Muhammed) 대학원 에너지시스템학과의 박사과정 학생이 제1저자로 참여했다.


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