2025. 7. 10.

고려대, 귀금속 없는 고효율 수소 생산 길 열다… 차세대 수소 발생 전극 개발

- 촉매 표면 반응 환경 정밀 제어로 수소 생산 효율 극대화

□ 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 박혜성 교수 연구팀이 높은 성능과 안정성을 동시에 갖춘 비귀금속 기반 수소 발생 전극을 개발했다.

□ 본 연구 성과는 에너지 분야의 저명한 국제 학술지 ‘ACS Energy Letters(IF=18.2, JCR 상위 4%)’ 온라인에 지난 6월 30일 게재됐다.

*논문명: Pseudo-Perovskite Oxide with in Situ Surface Reconstructed Metals for Alkaline Hydrogen Evolution

*DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01403

*URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c01403

□ 니켈 기반의 수소 발생 촉매는 귀금속을 대체할 수 있는 저가 소재로 주목받고 있지만, 알칼라인 환경에서는 물 분자의 느린 해리 반응으로 인해 고효율 수소 생산에 한계가 있었다.

*물 분자 해리 반응: 수소 발생 반응에서 물 분자가 양성자와 수산화 이온으로 분해되는 초기 단계로, 알칼라인 조건에서 반응 속도를 결정짓는 핵심 과정

□ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 준 페로브스카이트(pseudo-perovskite) 산화물 지지체(LSCF) 표면에 코발트-니켈 합금(CoNi) 나노입자를 직접 성장시키는 새로운 구조의 촉매를 설계했다. 이 구조는 물 분자의 해리 반응이 원활히 일어날 수 있도록 표면 반응 환경을 조성해, 수소 발생 속도를 크게 향상시켰다. 또한, 촉매와 전극이 일체화된 자가지지형 니켈 단일체 구조를 통해 산업 환경에서도 장시간 안정적인 수소 생산이 가능함을 증명했다.

*준 페로브스카이트(pseudo-perovskite): 결정질 페로브스카이트 구조에 비정질 영역과 소량의 기능성 산화물상이 혼재된 복합 산화물 구조로, 계면 반응을 촉진하고 표면 나노입자의 고정 안정성을 향상시킴

*자가지지형 전극: 별도의 바인더 없이도 우수한 기계적 안정성과 전기 전도성을 확보할 수 있는 전극

*니켈 단일체 구조: 니켈이 전극의 지지체이자 수소 발생 반응의 활성 부위로 동시에 작용하는 구조로, 전기 전도성, 기계적 안정성, 촉매 활성을 모두 갖춘 자가지지형 전극 설계가 가능

□ 이러한 구조적 특성을 바탕으로 CoNi-LSCF 촉매 전극은 낮은 전압에서도 수소를 효과적으로 생성하는 성능을 보였다. 10 밀리암페어 매 제곱센티미터(mA cm−2) 전류 밀도에서 28 밀리볼트(mV)의 낮은 과전압을 기록했으며, 산업 환경 조건(1 A cm−2, 6 M KOH, 50 °C)에서도 400시간 이상 안정적으로 작동해 우수한 내구성과 실용 가능성을 입증했다.

□ 고려대 박혜성 교수는 “이번 연구는 촉매 성능 향상뿐만 아니라, 촉매 표면에서의 반응 환경과 작동 원리까지 정밀하게 설계한 사례”라며, “고가의 귀금속 없이도 산업 환경에서 수소의 효율적 생산이 가능함을 보여준 점에서 큰 의미가 있다”라고 밝혔다.

□ 본 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 글로벌 기초연구실 지원사업과 개인기초연구 중견연구자지원사업, 산업통상자원부가 추진하는 에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

KU-KIST 융합대학원 (02-3290-5967)

커뮤니케이션팀 (02-3290-1063)