전북대학교 김도환 교수 연구팀(사범대 과학교육학부, 대학원 에너지저장·변환공학과)이 저비용이면서도 높은 효율을 갖춘 친환경 수소 생산 촉매를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

물을 전기분해 해 수소를 생산하는 과정에서 촉매는 필수적 요소다. 그러나 기존의 촉매는 백금이나 이리듐, 루테늄 등 귀금속 기반이어서 높은 비용으로 인해 상용화에 한계로 작용되어 왔다.

이러한 한계를 극복하기 위해 김도환 교수팀(호아 반 히엔 연구교수, 마이마이 박사과정생)은 귀금속 없이도 우수한 성능을 발휘하는 새로운 촉매를 개발하는 데 성공했다.

W-도핑 NiOCr2S3 촉매의 전기화학적 성능 및 촉매 작용 개요 - 전북대제공

전극 지지체로 사용되는 니켈 폼(Ni foam) 위에 원자 단위로 텅스텐(W)을 도핑한 NiO/Cr2S3 나노튜브 이종구조를 합성했다. 이를 위해 전기도금(electrodeposition)과 에칭(etching) 공정을 결합한 혁신적인 합성 방법을 도입해 고성능 다기능성 전극 촉매를 구현했다.

실제 실험 결과, 개발된 ‘W-도핑 NiO/Cr2S3 촉매’는 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)에서 각각 90mV와 237mV의 낮은 과전압을 달성하며, 기존 상용 촉매(Pt-C, IrO2)를 능가하는 성능을 보였다. 또한, 촉매를 활용한 전해 전지 실험에서는 1.0M KOH 용액에서 50시간 이상 안정적인 성능을 유지했고, 10mA cm–2 조건에서 1.58V의 전압으로 물 분해가 가능했다. 기존 상용 촉매(Pt-C, IrO2)를 능가하는 내구성을 보인 것이다.

W-도핑 NiOCr2S3 촉매 합성 개략도 - 전북대제공

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 분석을 통해 W-도핑이 NiO/Cr2S3의 전자 구조를 조절해 촉매의 본질적 활성을 크게 증가시킨다는 사실을 규명했다. 특히, Ni 활성 사이트에서 높은 에너지를 갖는 비결합성 상태가 형성되어 수소와의 강력한 상호작용을 유도하는 것이 주요한 성능 향상 요인임을 확인했다.

김도환 교수는 “이번 연구를 통해 귀금속을 전혀 사용하지 않고도 저비용·고성능의 촉매를 개발, 수소 경제 시대의 핵심 기술적 기반을 마련해 차세대 친환경 수소 생산 기술의 실현 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라며 “현재 특허를 출원했으며, 실제 산업 적용을 위한 후속 연구를 적극적으로 추진할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업과 교육부의 BK21 FOUR 사업, 지자체-대학 협력기반 지역혁신(RIS)사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 세계적 권위 학술지 『Applied Catalysis B: Environment and Energy』(IF 20.2, JCR 상위 0.6%) 최신호에 “Modulated electronic structure of atomic W-doped NiO/Cr2S3 nanotube heterostructure on nickel foam for enhanced overall water splitting”라는 제목으로 게재됐다.