이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 고전류/고온 녹색 수소 생산을 위한 망간-니켈-붕소-인화물 (Mn-Ni-B-P) 원형 마이크로 클러스터 전기촉매 개발

- 이중 기능성 MnNiBP CMC 산업 조건에서 탁월한 장기 작동 성능 보여 -

- 2.56 V에서 2,000 mA/cm²의 초고전류 밀도의 탁월한 성능 -

- Elsevier 출판 Materials Reports: Energy (JCR IF: 16.2) 국제 저명학술지 논문 게재 -

(좌)슈미야 연구원 (우)이지훈 교수

광운대학교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 슈미야 연구원(제1저자)과 함께 고전류/고온 녹색 수소 생산을 위한 산업 환경 조건에서 운용 가능한 망간-니켈-붕소-인화물 (Mn-Ni-B-P) 원형 마이크로 클러스터 (circular micro clusters, CMC) 전기촉매를 최초로 시연하였다. Mn-Ni-B-P CMC 전기촉매는 고출력과 고전류 및 고온 산업 운영 조건에서 탁월한 장기 안정성을 나타내었다.

녹색 수소는 △친환경 및 탄소중립 △장기·대용량 에너지 저장 △높은 효율 및 에너지 밀도 △다양한 활용성 △원료의 무한성 등의 강점을 지닌다. 생산 과정에서 온실가스를 배출하지 않고, 연소 시에도 소량의 물만 발생하여 기후 변화 대응에 필수적인 청정에너지로, 풍력이나 태양광 같은 재생에너지의 변동성 문제를 해결하며, 남는 전력으로 수소를 생산해 장기간 저장할 수 있다. 또한, 질량당 발열량이 석유보다 3배 이상 높은 고효율 에너지원으로, 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 에너지 운반체이다. 물을 기반으로 수소를 생산하므로 자원 고갈 우려가 없고, 국산화 기술로 자체 생산이 가능하여 에너지 안보에 기여할 수 있다.

전기화학적 물 분해는 녹색 수소(그린 수소) 생산에 유망한 접근법으로, 화석 연료 의존도를 줄이고 유해 배출물을 최소화함으로써 탄소 중립에 크게 기여할 수 있지만, 지속 가능한 녹색 수소의 광범위한 구현을 위해서는 비용 효율적이고 내구성이 뛰어난 전기 촉매 개발이 필수적이다. 특히, 전기화학적 물 분해는 재생 가능한 수소 에너지를 얻는 청정한 경로를 제공하지만, 실제 구현을 위해서는 고온의 가혹한 알칼리 조건에서 장시간 작동을 견딜 수 있는 견고한 전기 촉매가 필요하다. 또한, 수소 발생(HER) 및 산소 발생(OER) 반응의 에너지 장벽을 낮출 수 있는 저비용 고성능의 이중 기능 전기 촉매가 필요하다.

본 연구에서는 단일 단계 수열 합성법으로 합성된 MnNiBP 원형 마이크로 클러스터(CMC)를 전체 물 분해용 이중 기능 전기 촉매를 구현하였다. MnNiBP는 100 mA/cm²에서 88 mV 및 290 mV의 낮은 HER 및 OER 전압을 나타내며, 2,000 mA/cm²에서 1 M KOH 용액에서 2.72 V, 6 M KOH 용액에서 2.92 V의 낮은 이중 기능 셀 전압을 유지하여 효율적인 전체 물 분해 작동을 보여주었다.

단일 단계 수열 합성법으로 제조된 MnNiBP는 물 분해 반응에서 매우 효율적인 이중 기능 성능을 나타낸다. Pt/C와 결합 시 2.56 V에서 2,000 mA/cm²의 초고전류 밀도의 탁월한 성능을 나타내며, 우수한 안정성과 함께 유지하며, 실용적이고 대규모의 친환경 수소 생산에 대한 잠재력을 보여주었다. (Materials Reports: Energy 2026)

이중 기능성 MnNiBP CMC는 산업 조건에서 탁월한 장기 작동 성능을 보여주며, 1,000 mA/cm²의 전류 밀도에서 150시간 동안 연속 작동 시에도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다. Pt/C || MnNiBP와 같은 하이브리드 시스템에 양극을 도입하면 2,000 mA/cm²에서 2.56 V라는 기록적인 저전압을 달성하여, 기존 벤치마크 구성보다 우수한 성능을 보였다. MnNiBP CMC의 이러한 성능은 Mn, Ni, B, P 원소 간의 시너지 효과에 기인하며, 효율적인 물 분해 반응을 가능하게 합니다. MnNiBP의 유리한 반응 속도, 효율적인 전자 전달, 그리고 고유한 촉매 특성이 종합적으로 높은 물 분해 활성을 뒷받침한다.

슈미야 연구원은 2023년 광운대 전자공학과 석박통합과정으로 입학하여, 현재까지 양자/나노구조와 소재 분야의 연구에서 다수의 논문을 출판하고 있다. 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 Elsevier 과학전문 학술지 Materials Reports: Energy (JCR IF: 16.2) 온라인판에 “High-performance bifunctional water splitting under harsh alkaline conditions by hydrothermally prepared MnNiBP circular microclusters”의 제목으로 게재 되었다. 

* Web link: https://doi.org/10.1016/j.matre.2026.100466