이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 산업 운영 조건에서 고전류/고온 녹색 수소 생산을 위한 텅스텐-구리-붕소-인화물(W-Cu-B-P) 마이크로 잎 클러스터 전기촉매 개발

- 이중 금속 바인더 없는 간단한 단독 구조 텅스텐-구리-붕소-인화물 전기촉매 구현 -

- 국제 저명학술지 Royal Society of Chemistry 출판 Journal of Materials Chemistry A (JCR IF: 9.5)’ 논문 게재 -

(좌)슈미야 연구원 (우)이지훈 교수

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 슈미야 연구원(제1저자)과 함께 산업 운영 조건에서 고출력과 경제성 가지는 이중 금속 텅스텐-구리-붕소-인화물(W-Cu-B-P) 마이크로 잎 클러스터(Micro-Leaf-Clusters, MLC) 전기촉매를 최초로 시연하였다. W-Cu-B-P MLC 전기촉매는 고출력과 고전류 및 고온 산업 운영 조건에서 탁월한 장기 안정성을 나타내었다.

전기화학적 물 분해는 녹색 수소 생산에 유망한 접근법으로, 화석 연료 의존도를 줄이고 유해 배출물을 최소화함으로써 탄소 중립화에 크게 기여할 수 있다. 지속 가능한 녹색 수소의 광범위한 구현을 위해서는 비용 효율적이고 효율적이며 내구성이 뛰어난 전기 촉매 개발이 필수적이다. 

새로운 마이크로 잎 클러스터(MLC) 전기촉매인 WCuBP는 1 M KOH 전해질1,000 mA/cm²의 높은 전류 밀도에서 2.27 V의 낮은 셀 전압을 나타내며 전기화학적 물 분해에서 탁월한 성능을 보였다. 하이브리드 Pt/C || WCuBP 구성은 동일한 전류 밀도에서 2.03 V의 낮은 셀 전압을 보였다. (Journal of Materials Chemistry A 2025)

본 연구에서는 단일 단계 수열 반응 후 진공 어닐링을 통해 전반적인 물 분해를 위한 WCuBP 마이크로 잎 클러스터(MLC)를 최초로 시연했다. WCuBP MLC 전기 촉매는 1 M KOH 용액에서 50 mA/cm²에서 51 mV 및 140 mV의 과전압을 나타내며, 뛰어난 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 활성을 보였다. 이중 기능성 WCuBP || WCuBP 시스템은 1,000 mA/cm²에서 2.27 V의 낮은 셀 전압으로 벤치마크 시스템보다 우수한 성능을 발휘하였다.

또한, WCuBP MLC는 눈에 띄는 성능 저하 없이 120시간 이상 연속 작동하는 탁월한 장기 안정성을 보여주었다. Pt/C || WCuBP 하이브리드 시스템은 1,000 mA/cm²에서 2.03 V의 낮은 셀 전압을 나타내어, 이중 기능 시스템과 벤치마크 시스템 모두의 성능을 능가하며, 양극 측에 WCuBP MLC를 성공적으로 통합했음을 보여주었다. WCuBP의 우수한 전기화학적 성능은 W, Cu, B, P의 시너지 효과와 높은 활성 표면적, 그리고 향상된 전하 전달 속도에 기인하였다.

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

슈미야 연구원은 2023년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재 석박통합과정 연구원이다. 현재까지 양자/나노구조와 소재 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하고 있으며, 앞으로 우수한 연구 성과를 추가적으로 발표하여, 선진 연구기관에서 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21+), 중점연구소 사업 및 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 Royal Society of Chemistry 과학전문 학술지 Journal of Materials Chemistry A (JCR IF: 9.5) 온라인판에 “Efficient and Durable Electrocatalyst for Electrochemical Water Splitting by WCuBP Micro-Leaf-Clusters”의 제목으로 게재되었다.

* Publication Web link: https://doi.org/10.1039/d5ta07524f