이지훈 교수 (전자과) 연구팀, 

나노원반형 삼원 텅스텐코발트붕소(W3CoB3) 기반 

고효율 그린수소 생산용 전극 개발

- JCR ‘에너지 및 연료’ 카테고리 Q1, IF: 9.257 과학전문지 게재 -

- 표면적 크게 향상된 나노원반형 구조 이용하여 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER)성 크게 개선 및 초순수 그린수소 생산 가능 -

<(좌) 아하산 박사과정 연구원 (우) 이지훈 교수>

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 아하산 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 삼원 텅스텐코발트붕소(W3CoB3) 기반 나노원반형 고효율 그린수소 생산용 전극 개발을 세계 최초로 성공하였다. W3CoB3 전극은 3전극 시스템의 1M KOH에서 60 mA/cm2에서 HER 및 OER에 대해 84 및 271 mV의 낮은 과전위를 나타내었다. 또한, W3CoB3 전극은 2전극 구성에 의해 1M KOH에서 1.52V를 보여 W3CoB3 전극이 물 분해를 위한 최고의 전이 금속 기반 화합물 전극 중 하나로 평가되었다. 2전극 시스템 1M PBS에서, RuO2와 W3CoB3 전극이 비슷한 OER 성능을 나타내었다. 최적의 붕소 원자의 통합을 통해서 전이 금속 원자에 대한 전자 공급을 촉진하였으며, 이는 향상된 반응 속도를 얻기 위한 반응 역학을 조정하는 역할을 하였다.

수소에너지는 탄소중립시대의 핵심에너지로 각광받고 있으며, 교통 및 산업 개발 등에 활용하기 위한 기술개발도 활발히 진행되고 있는 분양이다. 수소에너지는 이미 우리 일상에 속속 들어오고 있다. 수소엔진이 적용된 자동차들이 이미 출시되었으며, 수소에너지 기반의 비행기, 선박, 기차 등의 운송수단이 잇달아 개발되고 있다. 특히 수소는 생산된 재생에너지를 저장하고 수송하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 태양광발전이나 풍력발전 등은 날씨의 영향을 많이 받고, 에너지 수급이 일정하지 않다. 태양광발전이나 풍력발전으로 생산된 전기를, 수소의 형태로 보존해 두면 필요할 때 전기, 열 등 다양한 에너지로 바꿀 수 있어, 재생 에너지의 불규칙한 생산/수급을 수소생성으로 해결할 수 있는 것이다. 수소는 액체 또는 고압 가스로 저장할 수 있으므로 운송이 용이하다는 장점이 있다. 수소에너지 생태계가 완성된다면, 수소는 기존 석유를 대체할 수 있는 에너지 원이다.

수소는 제조 방법에 따라 4가지 유형으로 나눌 수 있다. 석탄의 연소과정에서 생성되는 "갈색 (brown) 수소", 천연 가스와 증기의 반응 또는 석유화학 공정의 부산물로 생성되는 "회색 (grey) 수소", 회색 수소생성과정에서 배출된 이산화탄소를 포집해 탄소 배출을 줄인 "청색 수소"가 있다. 마지막으로 물의 전기로 분해로 수소를 생산하는 "녹색 (green) 수소"가 있다. 수소는 가장 일반적인 원소중 하나이며, 우주 질량의 75%를 차지한다. 지구 표면의 70%를 덮는 물(H2O)에도 수소가 다수 포함되어 있다. 물분해를 이용한 그린수소 생산은 궁극적인 No 이산화탄소 에너지원이지만, 높은 전극 가격 때문에 현재 전세계 수소생산의 1% 미만이 그린수소이며, 저가의 고효율 대체 전극 생성이 중요한 연구 분야중 하나이다.

사진 설명: 3전극 시스템에서 W3CoB3 전극의 전기화학적 증착의 개략도. XRD 분석. W3CoB3, Co3B 및 WB의 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 성능: Pt/C 및 RuO2의 표준 벤치마크 전극과 비교.

이 연구에서 나노원반형 삼원 W3CoB3 전극의 설계는 그림에서 볼 수 있는 것처럼 H2SO4 농도, 붕소 농도, Co-W 농도, 증착 지속 시간 및 열처리 등과 같은 전기화학적 제조 매개변수의 변화에 의해 철저히 조사되었다. 체계적인 최적화를 통해 최고의 나노원반형 W3CoB3 전극은 그림에서 볼 수 있듯이 OER과 HER 모두에 대해 바이너리 Co3B와 WB보다 크게 향상된 성능을 보여주었다. 나노원반형 삼원 W3CoB3 촉매는 60 mA/cm2에서 HER 및 OER에 대해 84 및 271 mV의 과전위를 나타냈는데, 이는 수직을 갖는 원형 나노 플레이트로 조성된 구형 마이크로 클러스터의 형성으로 월등히 개선된 ECSA와 함께 붕소의 통합에 의해 현저히 개선된 전기 촉매 활성으로 인해 생성되었다. 전기화학적 제조에 의한 붕소 기반 삼원 W3CoB3 전극은 녹색 수소 경제에 대한 요구를 충족시킬 수 있는 저비용 고효율 고성능인 전기 촉매 개발에 대한 매력적인 경로를 제공할 수 있을 것이다.

이번 연구의 연구진은Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대/ 제1저자), Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대), Shalmali Burse(박사과정, 광운대), Shusen Lin (박사과정, 광운대), Rakesh Kulkarni(박사과정, 광운대), Chandrashekhar S Patil(박사과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대- 교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다. 아하산 (Md Ahasan Habib) 학생은 2021년 광운대 전자과 박사과정으로 입학하였으며, 현재 박사과정2년차 연구원이다. 현재까지 다수의 공동연구에 참여하여, 다수의 공저자 논문을 출판하였다. 첫 번째, 제1저자 논문이 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 박사학위 취득후, 우수기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 BK-21, 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Materials Today Energy (JCR 카테고리 분야 Q1 ENERGY & FUELS, IF: 9.257) 2022년 5월자 온라인 판에 “Design of boron-based ternary W3CoB3 electrocatalyst for the improved HER and OER performances”의 제목으로 게재되었다.* Web link: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101021