전북대 김도환 교수팀, 고효율 저비용 수소 생산 촉매 개발

백금과 인 이중 도핑된 신규 촉매 개발…기존 상용 촉매보다 성능 우수

[아이뉴스24 박종수 기자] 전북대학교 김도환 교수팀(사범대 과학교육학부, 대학원 에너지저장·변환공학과)이 저비용으로 고효율의 친환경 수소를 생산할 수 있는 촉매를 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

그린수소 생산을 위해 물을 전기분해하는 방식이 일반적인데, 이를 위해선 촉매가 있어야 한다. 현재 백금이나 이리듐, 루테늄 등 귀금속 계열의 촉매가 활용되고 있는데, 이는 가격면에서 경쟁력을 갖지 못한다.

이를 위해 고가의 상용 촉매 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 촉매 개발에 나선 김도환 교수팀(호아 반 히엔 연구교수, 삼바 브라바카란 박사)은 티타늄 산화물(Ti4O7) 나노 로드에 백금(Pt)과 인(P)이 이중 도핑 된 니켈-몰리브덴을 결합시킨 신규 촉매(Pt, P–Ni4Mo–Ti4O7)를 개발했다.

김 교수팀은 실험에서 백금과 인의 농도를 각각 1.18%와 2.42%로 최적화하여 수소 발생 반응에서는 10mA cm–2에서 24mV, 산소 발생 반응에서는 20mA cm–2에서 290mV라는 뛰어난 과전압 수치를 달성했다. 이 수치는 기존의 백금과 산화 이리듐 등 상용 촉매의 성능을 뛰어넘는 것이다.

특히 바닷물에도 부식 저항성이 강하고, 40시간 동안 96%의 전류 유지율을 기록하는 등 우수한 안정성까지 겸비했다. 마그네슘(Mg)/해수 배터리의 음극으로 사용 시 7.2 mW cm–2의 전력 밀도를 기록하며 100시간 동안 안정성을 유지했다.

또한 밀도범함수(DFT) 시뮬레이션을 통해 백금과 인의 도핑이 전자 구조 변화를 촉진하고, 전기 전도성을 높이며 하이브리드 촉매의 활성을 증가시켜 다양한 분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 연구 성과는 고효율, 고내구성 촉매의 상용화와 재생 에너지 기술의 새로운 가능성을 제시해 연구의 우수성이 입증되어 재료 과학 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지인 『Small』(IF 13.3, JCR 6.6%)의 최신호에 ‘Phase Electronic Structure Tuning via Pt, P-Doped Ni4Mo-Implanted Ti4O7 for Highly Efficient Water Splitting and Mg/Seawater Batteries’라는 제목의 논문으로 게재됐다.

김도환 교수는 “수소 경제 사회를 위해 반드시 해결해야 하는 고효율 저비용의 고성능 촉매를 개발함으로써 친환경 수소 생산에 따른 탄소 중립 실현에 기여할 토대를 마련했다는 점이 이번 성과의 의미”라며 “이 기술이 실제 산업에 조속히 적용될 수 있도록 상용화를 위해서도 노력하겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업과 교육부의 한국연구재단(NRF) 기초연구사업 및 BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행됐다.

/전북=박종수 기자(bells@inews24.com)