이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 글로벌 탄소중립 달성에 도움 될

저비용 고효율 그린수소 FeWB 스노우 크러스트 전기촉매 개발

- FeWB 스노우 크러스트(SC) 전기촉매 수열 반응과 진공 어닐링 처리를 통해 구현 -

- 국제 저명학술지 Elsevier 출판 ‘Nano Materials Science (JCR IF: 12.6)’ 논문 게재 -

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 하산 존니 연구원(제1저자)과 함께 저비용 고효율 그린수소 생산을 위한 새로운 FeWB(철텅스텐붕소 화합물, iron tungsten boride compound) 스노우 크러스트 (snow-crust, SC) 전기촉매를 수열 반응과 진공 어닐링 처리를 통해 개발했다. 고효율 전기촉매를 개발하는 것은 깨끗하고 지속 가능한 수소 에너지를 생성하고, 글로벌 탄소 중립을 달성하는 데 필수적인 전기화학적 물 분해에 매우 중요하다.

FeWB 스노우 크러스트(SC) 전기촉매 개략도 및 벤지마크 비교. 다기능 FeWB 스노우 크러스트(SC)는 Pt/C || RuO2의 벤치마크 전기촉매보다 더 나은 고효율 전체 물분해 (OWS) 성능을 보여준다. 특히, 이중 기능 시스템(FeWB || FeWB)은 2.96V의 낮은 2-E 셀 전위를 나타내고 하이브리드 구성 (Pt/C || FeWB)은 2,000mA/cm2 높은 전류 밀도 및 1M KOH에서 2.61 V초저전압을 나타낸다. 개략도(Nano Materials Science, 2025)

이번 연구 프로젝트에서 FeWB 스노우 크러스트(snow-crust, SC) 전기촉매는 수열 반응과 진공 어닐링 처리를 과정을 통해 제조되었다. FeWB 스노우 크러스트는 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 및 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)에 대해 100mA/cm2에서 낮은 과전위(246mV 및 135mV)를 보여, 세계 최고 성능의 OER 전기촉매 중 하나임을 보여 주었다.

이중 기능성 FeWB스노우 크러스트는 기존 벤치마크 시스템(Pt/C || RuO2)에 비해 2.96V (1M KOH 중 2,000mA/cm2)의 매우 낮은 2-E 셀 전압을 나타냈다. FeWB SC는 열악한 산업 조건(60°C에서 6M KOH)에서 어떠한 저하 징후 없이 6일 이상 지속 작동하여 우수한 안정성을 보여주었다. 우수한 산소 발생 반응 특성으로 인해 Pt/C || FeWB 하이브리드 구조는 2,000mA/cm2에서 6M KOH에서 2.51V의 아주 낮은 셀 전위를 나타내었다. 또한 FeWB 스노우 크러스트 전기촉매는 보다 넓은 화학적 활성 표면적, 개선된 고유 특성 및 높은 전도성을 나타내며, 이는 촉매작용에 대한 반응 중간체의 흡수/탈착을 가속화하는 데 필수적이다. B에서 Fe 및 W로의 운동 전자 전달은 빠른 분할 반응을 위해 매우 활동적인 전자가 풍부한 금속 반응 센터를 생성할 수 있다.

연구팀은 하산 존니(Mehedi Hasan Joni, 박사과정, 광운대–제1저자), 임술삼(Shusen Lin 중점연구소 연구원, 광운대), 아하산(Md Ahasan Habib, 박사과정, 광운대), 슈미야(Sumiya Akter Dristy, 박사과정, 광운대), 루투자(Rutuja Mandavkar, 박사과정, 광운대), 이지훈 교수(광운대 - 교신저자)이며 광운대 단독연구로 진행되었다. 하산 존니 연구원은 2022년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재 석박통합과정 3년차 연구원으로 현재까지 나노 및 양자구조체와 소재 분야의 연구에 참여하여 다수의 논문을 출판하였다. 하산 존니 연구원은 “앞으로 우수한 연구 성과를 추가 발표하여 선진 연구기관에서 우수한 연구를 이어가고 싶다”는 포부를 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21+), 중점연구소 사업 및 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 과학전문 학술지 Nano Materials Science (JCR IF: 12.6) 2025년 2월 “Designing highly proficient FeWB snow-crust electrocatalyst for accelerated water-splitting toward industrial applications”의 제목으로 게재 되었다.

* Publication Web link: https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2024.12.009