우리 대학 첨단소재공학과 장해성 교수 연구팀이 청도이공대 연구팀과 진행한 공동연구를 통해 알칼라인 수전해 시스템의 효율과 안정성을 높일 수 있는 ‘비대칭 전하 분포가 유도된 루테늄 전기화학 촉매’를 개발하는 데 성공했다.  

전기를 이용해 물을 분해하는 수전해 시스템은 최근 그린 수소 생산의 핵심기술로 급부상하고 있다. 탄소 중립을 달성하기 위한 차세대 친환경 기술로 단연 손꼽히는 기술이기 때문이다. 

수전해 시스템은 염기성 조건과 산성 조건 모두에서 구동 가능하지만, 염기성 조건의 수전해 시스템(AEMWE, Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers)이 대규모 그린 수소 생산을 위한 산업적 용도에 더 부합한다는 평을 받고 있다. 산성 조건의 수전해 시스템(PEMWE, Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers)은 심각한 부식 문제가 있어서다. 

문제는 AEMWE 시스템을 사용하기 위해서는 효율적인 전기화학 촉매가 필요하다는 데 있다. AEMWE 시스템의 수소발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction) 속도가 PEMWE 시스템보다 적게는 2배에서 많게는 3배 가까이 느려 발생하는 문제다. 

때문에 그간 효율적인 HER 전기화학촉매 디자인을 위한 여러 전략이 제시됐다. 그 중에서도 촉매 활성 장소의 전자구조를 조절하는 BIEF(Built-In Electric Field) 방법이 효과적인 전략으로 여겨져 왔다. 하지만, 전기화학 반응 관련 전극 전위를 고려한 BIEF의 실질적인 영향은 명확하게 밝혀지지 않았다. 

장해성 교수 연구팀은 청도이공대 Xien Liu 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 문제를 해결했다. BIEF 방법을 이용해 전하가 비대칭적으로 유도된 루테늄 기반 전기화학 촉매를 개발한 장 교수 연구팀은 방사광 기반 X-선 흡수분광학(XAS, X-ray Absorption Spectroscopy) 분석기법과 밀도범함수 이론(DFT, Density functional theory) 기반 계산을 통해 BIEF의 실질적인 영향을 규명해 냈다. 

연구결과에 따르면 강한 계면의 BIEF는 루테늄 클러스터에 비대칭 전하 분포를 유도하며, 이는 계면 루테늄 원자의 수소 흡착력을 향상시키는 것으로 나타났다. 낮은 전위에서는 전기촉매 활성도를 낮추는 반면, 높은 전위에서는 전기촉매 활성도를 크게 증가시킨다는 것도 규명됐다. 

공동 연구팀은 규명된 BIEF의 효과를 바탕으로 루테늄 기반 전기화학 촉매를 최적화했다. 최적화된 촉매는 10mA/cm2 전류밀도에서 21.9mV의 과전압을 보였다. 기준 촉매인 20% Pt/C(10mA/cm2 전류밀도에서 53.03mV의 과전압)보다 우수한 성능을 기록한 것이다.

장 교수 연구팀이 교신저자로 참여한 해당 연구성과는 화학 분야 상위 7% 학술지로 피인용도(IF, Impact Factor) 16.6을 기록한 국제 학술지 ‘Angewandte chemie-International Edition’과 상위 4.2% 학술지로 피인용도 19를 기록한 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다. 상세한 연구 내용은 ‘Substantial Impact of Built-in Electric Field and Electrode Potential on the Alkaline Hydrogen Evolution Reaction of Ru&pe_QB;CoP Urchin Arrays’ 논문과 ‘Revealing The Role of Electronic Asymmetricity on Supported Ru Nanoclusters for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction’ 논문을 통해 확인 가능하다.

장 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 전기화학 촉매 디자인 전략 중 하나인 BIEF의 구체적인 영향을 규명할 수 있었다”며, “다양한 에너지 소재 분야에서 활용 가능할 것으로 기대하고 있다”고 전했다.