이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 저비용 고효율 그린수소 생산 위한 

코발트-철-몰리브덴-붕소 (Co-FeMoB) 마이크로 꽃잎 전기촉매 개발

- Co 도핑된 FeMoB micro-petal(MP) 구조 전기촉매 2단계 수열 반응과 열처리 통해 구현 -

- 국제 저명학술지 Wiley출판 Small (JCR IF: 12.1) 논문 게재 -

(좌)하산 존니 연구원 (우)이지훈 교수 

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀이 전자공학과 Mehedi Hasan Joni(하산 존니) 연구원(제1저자)과 저비용 고효율 그린수소 생산을 위한 새로운 코발트-철-몰리브덴-붕소(Co-FeMoB) 마이크로 꽃잎(micro-petal, MP) 전기촉매를 2중 수열 반응과 진공 어닐링 처리를 통해 개발했다.

고효율 전기촉매 개발은 깨끗하고 지속 가능한 수소 에너지를 생산하고, 글로벌 탄소 중립을 달성하는데 필수적인 전기화학적 물 분해에 핵심적인 기술이다. 전기분해를 통한 수소 생성을 위한 귀금속/귀금속 전기촉매를 대체할 고효율, 저비용 촉매를 개발하려는 노력은 전 세계적인 에너지 및 환경 문제 해결에 있어 여전히 중요한 분야이다.

수소는 탄소 배출이 없고 에너지 밀도가 매우 높으며 재활용성이 뛰어나 매우 유망한 대체 청정 에너지 매체로 널리 인정받고 있어 에너지 불안정, 환경 파괴, 장기적 기후 위협과 같은 과제를 해결하기 위한 글로벌 에너지 전환의 핵심 기둥이다. 현재 Pt 및 Ru/Ir 소재와 같은 귀금속 중심 촉매가 HER/OER 전극의 벤치마크 역할을 한다. 그러나 높은 비용과 제한된 가용성으로 인해 산업화가 제한되고 있다. 따라서 에너지 효율적인 H2O 촉매 작용과 산업적 규모의 수소 생산 대중화를 위해서는 대전류에서 작동할 수 있는 저렴하고 고성능이며 안정적인 전기 촉매를 만드는 것이 시급히 필요하다.

이번 연구에서는 코발트 도핑된 코발트-철-몰리브덴-붕소(FeMoB) 마이크로 꽃잎(micro-petal, MP)을 이용한 새로운 프레임워크를 2단계 수열 반응과 열처리를 통해 구현했다. 최적화된 Co/FeMoB MP는 1 M KOH 100 mA/cm²에서 54/257 mV의 전류만 필요로 하므로 HER/OER 성능이 크게 향상되어 가장 유망한 이중 기능 전기촉매 중 하나로 평가되었다. 전체 물 분해에서 이중 기능 MP(-/+) 시스템은 2,000 mA/cm²에서 2.87 V의 초저 셀전압을 제공하고, 600 mA/cm²에서 250시간 동안 연속 안정성을 유지하였다.

또한, 하이브리드 Co/FeMoB 전극은 60 °C에서 6 M KOH에서 대전류 밀도로 2.26 V의 기록적인 초저 셀전압을 제공하고, 가혹한 산업 운영 조건에서도 대규모 수소 생산에 탁월한 가능성을 보여주었다. 코발트 도핑된 FeMoB의 우수한 다기능 특성은 3d-블록 금속 효과에 의한 전자/구조적 변조, 원소간 시너지 효과, 풍부한 활성점, 다결정성, 그리고 확장된 전기화학적 활성 표면 덕분이다.

FeMoB 마이크로 꽃잎 전기촉매는 더 큰 전기촉매 표면적, 개선된 고유 특성 및 높은 전도성을 나타내며, 이는 촉매작용에 대한 반응 중간체의 흡수/탈착을 가속화하는 데 필수적이다. B에서 Fe 및 Mo로의 운동 전자 전달은 빠른 분할 반응을 위해 매우 활동적인 전자가 풍부한 금속 반응 센터를 생성할 수 있다. 본 연구는 활성 바이메탈 FeMoB 매트릭스에 미량의 코발트를 도입함으로써 차세대 및 상용 H2O 전기분해를 위한 전기촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

연구팀은 Mehedi Hasan Joni(하산 존니, 박사과정, 광운대-제1저자), Sumiya Akter Dristy(슈미야, 박사과정, 광운대), Md Najibullah(나지불라, 박사과정, 광운대), Md Ahasan Habib(아하산, 박사과정, 광운대), Shusen Lin (임술삼, 중점연구소 연구원, 광운대), Jihoon Lee (이지훈, 교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다.

제1저자인 하산 존니 연구원은 2022년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재 석박통합과정 4년차 연구원이다. 현재까지 나노 및 양자구조체와 소재 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하였다.

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21+), 중점연구소 사업 및 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문 학술지 Small(JCR IF: 12.1)의 2025년 11월 온라인판에 “Micro-Petal Cobalt-Doped FeMoB Framework for Efficient Hydrogen Generation in Ampere-Level Water Electrolysis”의 제목으로 게재되었다.

* Publication Web link: https://doi.org/10.1002/smll.202511038