이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 산업 운영 조건에서 고전류/고출력/경제성 가지는 바나듐-니켈-붕소-인화물 (V-Ni-B-P) 구형 전기촉매 개발

- 바인더 없는 간단한 단독 구조 촉매 이중 금속 바나듐-니켈-붕소-인화물 전기촉매 구현 -

- 국제 저명학술지 Elsevier 출판 Chinese Journal of Structural Chemistry (IF: 10.3)’ 논문 게재 -

본교 이지훈 교수(전자공학과) 연구팀은 전자공학과 슈미야 연구원(제1저자)과 함께 산업 운영 조건에서 고출력과 경제성 가지는 바이메탈 바나듐-니켈-붕소화물-인화물 (VNiBP) 구형 전기촉매를 수열 반응 및 후열처리를 통해 합성하였다. 바인더 없는 간단한 구조를 가지는 이중 금속 바나듐-니켈-붕소-인화물 전기촉매는 고출력과 고전류/고온 산업 운영 조건에서 탁월한 장기 안정성을 나타내었다. 녹색 수소의 보편적인 적용은 전 세계 에너지 수요를 충족 시키는 동시에, 지구 온도상승 등 심각한 기후 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있을 될 것이다. 이를 위해서는, 산업 조건에서 고출력과 경제성 안정성을 가지는 우수한 전기촉매 개발이 핵심 기술 과제 중 하나이다. 물분해를 이용한 그린수소 생산은 궁극적인 제로-이산화탄소 에너지 자원으로, 물분해시에 청정에너지원인 태양광 또는 풍력에서 생산된 전기를 사용할 수 있으며, 전기에너지 생산후에 산소와 혼합하여 순수한 물로 환원된다. 또한, 수소는 청정에너지원으로, 태양광/풍력 에너지를 변형-저장-수송하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

(좌) 슈미야 연구원 (우) 이지훈 교수

바나듐-니켈-붕소-인화물 (VNiBP) 구형 구조 전기촉매(spherical electrocatalyst, SE)는 탁월한 장기 안정성을 나타내어 1 M 및 6 M KOH & 1,000 mA/cm²​ 조건에서 6일 이상 연속 작동을 유지하였다. VNiBP SE촉매는 1 M KOH 용액에서 100 mA/cm²의 전류 조건에서 수소 발생 반응(HER)에서 91 mV, 산소 발생 반응(OER)에서 270 mV의 낮은 과전압을 나타내며, 150시간 이상 안정적으로 작동하여 대부분의 최첨단 전기 촉매를 능가하였다. 이중 기능성 VNiBP(–, +)는 100 mA/cm²​에서 1.57 V의 낮은 회전 전압을 나타내며, 최대 2000 mA/cm²​의 고전류 밀도까지 Pt/C||RuO2 벤치마크 시스템보다 우수한 성능을 발휘하였다. Pt/C||VNiBP 하이브리드 구성은 산업적으로 적합한 조건(6 M KOH, 60 °C)에서 2000 mA/cm²​에서 2.55 V의 낮은 2-E 셀 전압을 나타내었다. 이처럼 뛰어난 물 분해(overall water splitting, OWS) 성능은 유리한 조성과 구형 형태가 제공하는 빠른 중간체 형성, 최적화된 흡착/탈착 동역학, 높은 전기화학적 표면적, 그리고 낮은 전하 이동 저항의 시너지 효과에 기인하였다. 연구진은Sumiya Akter Dristy (슈미야, 박사과정, 광운대 – 제1저자), Md Ahasan Habib (아하산, 박사과정, 광운대), Mehedi Hasan Joni (하산 존니, 박사과정, 광운대), Md Najibullah (나지불라, 박사과정, 광운대), Rutuja Mandavkar (루투자, 박사과정, 광운대), husen Lin (임술삼, 중점연구소 연구원, 광운대), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다. 슈미야 연구원은 2023년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재 석박통합과정 3년차 연구원이다. 슈미야 연구원은 현재까지 양자/나노구조와 소재 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하고 있으며, 앞으로 우수한 연구 성과를 추가적으로 발표하여, 선진 연구기관에서 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

사진 설명: 다기능 VNiBP 전기촉매는 산업 수준의 친환경 수소 생산을 위한 뛰어난 전반적인 물 분해 성능을 보여주며, 견고한 안정성과 함께 최대 2,000 mA/cm2의 높은 전류 밀도까지 Pt/C||RuO2 벤치마크를 능가하였다. (Chinese Journal of Structural Chemistry 2025)

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21+), 중점연구소 사업 및 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문 학술지 Chinese Journal of Structural Chemistry (JCR IF: 10.3) 2025년 10월 온라인판에 “Binder-free bimetallic vanadium-nickel-boride -phosphide spherical structure for highly efficient and stable industrial-level water splitting”의 제목으로 게재 되었다.

* Publication Web link: https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2025.100747