이지훈 교수 (전자공학과) 연구팀, 

다면적 원형 마이크로 클러스터 구조 삼원 니켈-몰리브덴-붕소(NiMoB) 기반 고효율 그린수소 생산용 전극 개발

- JCR 카테고리 Q1, IF: 8.663 과학전문지 게재 -

- 표면적 크게 향상된 다중 원형 마이크로 클러스터 구조 이용하여 

벤치마크 전극보다 우수한 수소/산소 발생 반응 성능 가지는 전극 개발 -

지속적으로 증가하는 온실가스 배출 수준에 대한 우려가 증가함에 따라 화석연료 사용을 점차적으로 줄이고 대체하기 위해, 지속 가능하고 청정한 에너지 자원을 탐색하는 것이 필수적인 상황이 되었다. 수소는 우주 질량의 75%를 차지하며, 지구상에 가장 일반적인 원소중 하나이며, 지표면의 70%를 차지하는 물(H2O)에도 많은 양의 수소가 포함되어 있다. 수소에너지는 높은 에너지 밀도와 탄소배출 제로로 인해 우수한 재생 에너지원으로 각광받고 있으며, 이미 우리 일상에 속속 진입하고 있다. 수소엔진 기반의 자동차, 기차, 선박, 비행기 등의 운송 수단들이 잇달아 개발되고 있으며, 일반 가정에서도 수소에너지 기반의 전기를 사용할 수 있다.

물분해를 이용한 그린수소 생산은 궁극적인 제로-이산화탄소 에너지 자원이다. 물분해시에 청정에너지원인 태양광 또는 풍력에서 생산된 전기를 사용할 수 있으며, 수소자동차 구동시에도 산소와 혼합하여 순수한 물로 환원된다. 또한, 수소는 청정에너지원으로 생산된 재생에너지를 변형-저장-수송하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 태양광이나 풍력발전으로 생산된 전기는, 불규칙한 생산/수급 특성을 가지는데, 이때 생산된 전기를 수소의 형태로 보존해 두면 필요할 때 전기/열 에너지로 바꿀 수 있다. 수소는 액체 또는 고압 가스로 저장할 수 있으므로 운송이 용이하다. 이는, 수소 생산/저장/수송의 수소에너지 생태계가 완성된다면, 기존 석유나 액화가스를 대체할 수 있는 에너지원이 될 수 있다는 의미이다. 하지만, 물분해로 고순도의 수소를 생산하기 위해서는, 높은 전극 가격이 걸림돌이 되고 있으며, 고안정성 고효율 저가 대체 전극 생산을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

(좌) 루투자 박사과정 연구원 / (우) 이지훈 교수

사진 설명: (a) 전기화학적 증착에 의한 NiMoB 전극 제조의 개략도. (b) 3전극 시스템에서 베어 Ni, MoB, NiB 및 NiMoB 전극의 HER 성능 비교. (c) OER 성능 비교. (d) 2전극 시스템에서 NiMoB 전극과 Pt/C || RuO2의 벤치마크 전극의 성능 비교. (e) 천연바다물 1 M KOH에서 NiMoB 2전극 시스템 성능 비교

광운대 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 루투자 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 다면적 원형 마이크로 클러스터 구조 삼원 니켈-몰리브덴-붕소(NiMoB) 기반 고효율 그린수소 생산용 전극 개발을 세계 최초로 성공하였다. 최적화된 NiMoB 전극은 Pt/C || RuO2 벤치마크 전극보다 높은 전기화학적 물분해 성능을 보여주었다. 체계적인 전극제조 매개변수 최적화와 함께 다중 구 형태의 삼원 NiMoB 전기 촉매는 전극의 개선된 결정도와 중간체의 흡수 및 탈착을 통해 높은 활성 표면적, 낮은 임피던스 및 낮은 반응 에너지 장벽을 보여주었다. Ni-Mo의 전이금속 매트릭스에 붕소를 통합하여 전자가 풍부한 금속 사이트와 전극의 안정성이 개선된 운동 장벽을 낮추어 물 분해 능력이 크게 향상되었다.

특히, 2전극 시스템에서 개선된 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 역학으로 1M KOH 50mA/cm2에서 1.61V의 전환 과전위를 달성하였다. 보다 중요한 것은 NiMoB 전기 촉매는 1M KOH에서 1250 mA/cm2 이상, 해수(SW) 1M KOH에서 1100 mA/cm2 이상의 고전류 범위에서 Pt/C || RuO2 벤치마크 전극보다 더 나은 성능을 보여주었다. 또한 500 mA/cm2에서 12시간 동안 매우 안정적인 크로노암페로메트리(CA) 작동과 60°C에 6M KOH에서 8시간 동안 선형 스위프 전압전류법(LSV)을 1,000회 반복함으로써 산업용 전기화학 물 분해 조건에서 안정적임을 입증할 수 있었다.

이번 연구의 연구진은 Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대 - 제1저자), Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대), Shusen Lin (석박통합과정, 광운대), Rakesh Kulkarni (박사과정, 광운대), Shalmali Burse (박사과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대- 교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 국제공동 연구로 진행되었다. 루투자 (Rutuja Mandavkar) 학생은 2020년 광운대 전자과 박사과정으로 입학하였으며, 현재까지 다수의 연구에 참여하여, 주저자 및 공저자 논문을 다수 출판하였다. 루투자 연구원은 광운대 전자과 입학후 열심히 학업에 임하고 있으며, 논문이 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 학위기간중, 우수한 연구 성과를 다수 발표하여, 졸업후에는 미국 우수 연구기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21 ), 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Applied Materials Today (JCR 카테고리 분야 Q1 MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY, IF: 8.663) 2022년 7월자 온라인 판에 “Electron enriched ternary NiMoB electrocatalyst for improved overall water splitting: Better performance as compared to the Pt/C || RuO2 at high current density”의 제목으로 게재되었다.* Web link: https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101579