전북대학교는 김도환 교수 연구팀(사범대 과학교육학부·대학원 에너지저장·변환공학과)이 귀금속 없이도 우수한 성능을 발휘하는 저비용 고효율의 친환경 수소 생산 촉매를 개발하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 연구에는 호아 반 히엔 연구교수, 마이 마이 박사과정생 등이 참여했다.

전북대 김도환 교수, 호아 반 히엔 연구교수, 마이마이 박사과정생(위 왼쪽부터)와 W-도핑 NiOCr2S3 촉매 합성 개략도. 전북대 제공

수소 생산을 위한 물 전기분해 과정에서 촉매는 필수적이지만, 기존 촉매는 백금, 이리듐, 루테늄 등 귀금속을 기반으로 해 높은 비용이 걸림돌이 돼 왔다. 이에 따라 연구팀은 비용 절감을 위해 전극 지지체인 니켈 폼(Ni foam)에 원자 단위로 텅스텐(W)을 도핑한 NiO/Cr2S3 나노튜브 이종구조 촉매를 합성했다. 이 과정에서 연구팀은 전기도금(electrodeposition)과 에칭(etching) 공정을 결합한 혁신적인 합성 기법을 도입해 촉매 성능을 극대화했다.

실험 결과, 새로 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.

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 형성돼 수소와의 강력한 상호작용을 유도하는 것이 주요한 성능 향상 요인임을 밝혀냈다.

김도환 교수는 “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”며 “현재 특허를 출원했으며, 실제 산업 적용을 위한 후속 연구를 적극적으로 추진할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업과 교육부의 대표적 대학 지원 사업인 BK(두뇌한국)21 4단계와 지자체·대학 협력기반 지역혁신(RIS)사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 환경촉매분야 세계적 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B : 환경과 에너지’(Applied Catalysis B : Environment and Energy) 최신호에 게재됐다.