이용걸 교수팀, 니켈·코발트·철 합금으로 수전해용 계층형 촉매 구현
실시간 X선 분석 및 계산과학으로 성능 향상 원리 원자 수준에서 규명
단국대학교는 최근 이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 니켈(Ni)·코발트(Co)·철(Fe) 등 비귀금속을 활용해 높은 활성과 내구성을 갖는 수전해 전극 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.
수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 산소 발생 반응(OER)에는 에너지가 많이 투입되는 만큼 고성능 촉매 개발이 수소 생산 효율을 좌우한다.
기존 루테늄(Ru)·이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매는 성능은 높지만 가격이 비싸고 희소성이 높아 상용화에 한계가 있었다. 또 대안으로 주목받은 니켈 기반 촉매는 장시간 사용 시 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이 교수팀은 Ni-Co-Fe 합금 표면을 전기화학적으로 재구성해 전기 전도성과 표면 반응성이 높은 다공성 활성층을 형성하는 계층형 구조를 구현했다. 특히 실시간 X선 분석과 계산과학을 결합해 촉매 성능 향상 원리를 원자 수준에서 규명했다. 이를 통해 니켈 활성상의 안정적인 변화·회복과 철 성분의 용출 억제가 높은 활성 및 장기 내구성의 핵심임을 밝혔다.
연구팀이 개발한 촉매는 기존 니켈-철계 촉매(NiFe-LDH) 대비 높은 전류밀도에서도 우수한 성능을 나타냈으며, 기존 금속 합금보다 약 7배 높은 반응활성빈도(TOF)를 나타냈다. 아울 재생에너지 환경을 모사한 반복 작동 시험에서 내구성을 유지하고, 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 성능을 보였다.
이 교수는 "다성분 비귀금속 촉매의 활성과 안정성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 규명했다"며 "향후 대용량 수전해 시스템과 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에도 활용될 수 있을 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 'In Situ XANES and DFT Insights Into Hierarchical NiCoFe Catalysts for Highly Active and Durable Oxygen Evolution and Urea Oxidation'이라는 제목으로 나노재료기술 분야 국제학술지 'Small'(IF=11.8, Q1) 온라인판에 게재됐다.
