화학신소재공학과 김주헌 교수 연구팀, “알칼리 수전해 양극(cathode)용 고효율 촉매-전극 개발”

'CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL' 게재

사진설명. 강태오 석사과정 재학생(제1저자)과 김주헌 교수

화학신소재공학부 김주헌 교수와 강태오 석사과정(1저자) 연구팀은 기존 알칼리 수전해 양극 산소발생반응(Oxygen evolution reaction)의 높은 과전압의 한계점을 극복한 고효율 촉매를 개발하는 데 성공하였다.

본 연구에서는, carbon cloth 전극에 접착 물질 없이 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 나노 시트의 직접 성장 및 텅스텐(W) 나노 파티클을 이용한 이종 접합 구조를 통해 고효율 촉매 활성 특성과 동시에 장기 구동 안정성을 보유한 촉매-전극을 개발하는 데 성공하였다.

사진설명. 알칼리 수전해용 고효율 촉매-전극 합성 과정

알칼리 수전해는 태양광·풍력 등 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술로, 미래의 에너지원으로 손꼽히는 수소를 친환경적으로 생산하는 대표적인 방법으로 주목받고 있다. 하지만 양극의 산소발생반응은 음극의 수소발생반응 보다 높은 과전압을 필요로 하고, 이는 수소의 생산 단가를 높이는 원인이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 고효율 산소 발생 반응 촉매의 개발이 지속적으로 요구되어 왔다.

본 연구팀이 개발한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) & 텅스텐(W) 이종 접합 구조의 촉매는 알칼리 수전해 양극의 산소발생반응에서 기존의 귀금속(Ru) 촉매 대비 더 높은 촉매 효율을 보였으며, 접착 물질 없이 전극에 촉매 물질을 직접 성장시켜 15시간, 2000 cycles 이상의 장기 구동시험에서 높은 내구성을 확보함으로써 상업적 수준에 근접한 알칼리 수전해용 촉매-전극 개발의 기반을 확보한 것으로 보인다.

사진설명. 알칼리 수전해용 고효율 촉매-전극

우리 대학과 경북대 연구팀이 공동 발표한 이번 논문(Electronic structure modulation of nickel hydroxide and tungsten nanoparticles for fast structure transformation and enhanced oxygen evolution reaction activity)은 화학-에너지분야 저명 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (2021 인용지수 10.65)에 8월 15일자에 게재될 예정이다.