이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 저비용 고효율 그린수소 생산 위한 텅스텐 도핑된 구리-붕소-인화물(W/CuBP) 마이크로 구형 클러스터 (MSC) 전기촉매 개발

- 텅스텐 도핑된 구리-붕소-인화물 마이크로 구형 클러스터 구조 전기촉매 2단계 수열 반응과 열처리 통해 구현 -

- 국제 저명학술지 Elsivier 출판 Journal of Colloid and Interface Science (JCR IF: 9.7)지에 논문 게재 -

(좌) 하산 존니 연구원 (우) 이지훈 교수

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 하산 존니 연구원(제1저자)과 함께 저비용 고효율 그린수소 생산을 위한 새로운 텅스텐 도핑된 구리-붕소-인화물(W/CuBP) 마이크로 구형 클러스터 (MSC) 전기촉매 를 2중 수열 반응과 진공 어닐링 처리 등을 통해 개발했다.

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.

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. 이번 연구에서 체계적인 2단계 수열합성법을 이용하여 텅스텐이 도핑된 구리-붕소-인화물(W/CuBP) 마이크로 구형 클러스터(MSC) 전기촉매를 성공적으로 제조하였다. 주요 특징은 ▲신규 W/CuBP(MSC) 전기촉매 연구를 통한 효율적인 물 분해 ▲1M KOH 용액에서 50mA/cm2 전류 밀도 시 60/218mV의 우수한 수소 발생 반응(HER)/산소 발생 반응(OER) 과전압 달성 ▲2-E 이중 기능 시스템을 통한 높은 내구성과 LCD 성능 구현, 6M KOH 용액(60°C)에서 500mA/cm2 전류 밀도 시 2.06V의 초저전압 달성 ▲다양한 pH 환경 및 해수/강물 등 자연 환경에서 탁월한 성능 발휘로 정리할 수 있다.

 이중 기능성 W/CuBP 마이크로 구형 클러스터(MSC) 전기 촉매는 알칼리성(KOH) 전해질에서 우수한 전반적인 물 분해 성능을 나타낸다. 특히, 2전극(2-E) 구성(W/CuBP || W/CuBP)은 500mA/cm2의 높은 전류 밀도에서 1M 및 6M KOH 용액에서 각각 2.13V 및 2.06V의 초저전압을 구현한다. (Journal of Colloid and Interface Science, 2026)

W/CuBP MSC 전기촉매는, 1M KOH 용액에서 50mA/cm² 전류 밀도에서 각각 60mV 및 218mV의 과전압으로 우수한 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 성능을 달성했다. 이중 기능성 W/CuBP || W/CuBP 구조는 100mA/cm² 전류 밀도에서 벤치마크인 1.67V에 비해 훨씬 낮은 1.64V의 2전극(2-E) 전위를 보여 최첨단 전기촉매와 비교해도 매우 경쟁력 있는 성능을 나타냈다. W/CuBP는 향상된 대전류 특성과 비교적 높은 pH 범용성 및 자연수 활성을 통해 우수한 작동 안정성을 나타낸다. 소량의 이종원소인 텅스텐(W) 도핑은 풍부한 활성 부위 노출, 우수한 흡착/탈착 능력, 빠른 산화환원 반응 및 높은 전도도 덕분에 구리-붕소-인화물(CuBP) 미세 입자의 전기촉매 특성을 크게 향상시킨다. W/CuBP 전극 설계 개념은 수소 발생 반응(HER)/산소 발생 반응(OER) 및 이중 기능 전기촉매에 대한 새로운 통찰력을 제공하여 물 분해 경제 발전을 촉진한다.

연구팀은 Mehedi Hasan Joni (하산 존니, 박사과정, 광운대 – 제1저자), Shalmali Burse (샬말리, 박사과정, 광운대), Sumiya Akter Dristy (슈미야, 박사과정, 광운대), Md Najibullah (나지불라, 박사과정, 광운대), Nur Alom (알롬누르, 박사과정, 광운대), Sanjida Tabassum Jarin (산지다, 박사과정, 광운대), Md Ahasan Habib (아하산, 박사과정, 광운대), Shusen Lin (임술삼, 중점연구소 연구원, 광운대), Loganathan Kulandaivel (로건, 중점연구소 연구원, 광운대), and Jihoon Lee (이지훈, 교수, 광운대 – 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다.

하산 존니 연구원은 2022년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재 석박통합과정 4년차 연구원이다. 현재까지 나노 및 양자구조체와 소재 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하였다. 하산 존니 연구원은 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 과학전문 학술지 Journal of Colloid and Interface Science (JCR IF: 9.7) 2026년 5월 온라인판에 “Double-Step Hydrothermal Synthesis of Tungsten-Doped Copper-Boron- Phosphide: A High-Potential Micro Spheroid Cluster (MSC) Electrocatalyst for Efficient Water Splitting”의 제목으로 게재 되었다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2026.140621