광운대 이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 초순수 그린수소 생산을 위한 전기분해 가속화 및 높은 안정성을 갖춘 이중기능성 Ru/Ni-B-P 전기촉매 개발

중앙일보

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(좌) 아하산 박사과정 연구원 (우) 이지훈 교수

광운대 이지훈 교수 연구팀(전자공학과)은 아하산 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 고효율 그린수소 생산을 위한, 루테늄 도핑된 니켈-붕화물-인화물 (nickel-boride-phosphide, Ru/Ni-B-P) 이중기능성 구형 전기촉매 전극 개발을 세계 최초로 성공하였다.

Ru/Ni-B-P 구형 전극은 열수(hydrothermal)법 및 화학적 침수법(soaking)의 조합으로 합성되었으며, 안정적인 고전류 작동과 함께 낮은 셀 전압을 제공하여 산업적 요구 사항 충족하였다. Ru/Ni-B-P 구형 촉매는 안정적인 고전류 작동으로 300mA/cm2에서 191 및 350mV의 낮은 과전위를 보여 최고 수준의 HER/OER 전기촉매 중 하나로 평가되었다.

이중 기능성 2-E 시스템은 가혹한 산업 작동 조건인 60 oC, 6M KOH, 2,000mA/cm2에서, 2.49V의 낮은 셀 전압을 보여주었다. 또한 1,000 mA/cm2에서 120시간(5일) 연속 CA 작동을 지속하여 뛰어난 안정성을 보여주었다. 또한 기존 벤치마크 전극과 결합된Ru/Ni-B-P || Pt/C는 6M KOH, 2,000mA/cm2에서 2.40V라는 기록적인 낮은 2-E 셀 전압과 산업 작동 조건인 1,500mA/cm2 고전류에서 뛰어난 안정성을 보여주었다.

그린수소에너지는 탄소중립시대의 핵심에너지로 각광받고 있으며, 교통, 난방 및 산업 개발 등에 활용하기 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 수소에너지는 사용후, 산소와 결합하여, 순수한 물(H2O)만 배출 되므로, 궁극의 이산화탄소-free 그린 에너지원이다. 지구 표면의 70%를 덮는 물(H2O)에서 재생될 수 있으므로, 궁극의 무한 재생에너지원이다. 현재, 수소엔진이 적용된 자동차들이 출시되고 있으며, 수소에너지 기반의 비행기, 선박, 기차, 버스 등의 운송수단들이 잇달아 개발되고 있다.

수소 운송수단은, 높은 에너지 밀도 가벼운 무게 등의 이점에 기인하여, 대용량의 에너지를 필요로 하는 비행기, 선박, 기차 등에서 장점을 가진다. 또한, 수소를 기반으로 하는 운송수단들은, 기존 배터리 기반의 전기 자동차와 같이, 무공해 차량의 대안을 제시하고, 동시에 수분 내외의 충천이 가능하고, 1회 충전으로 수천1000 Km 이상의 긴운행거리를 제공할 수 있는 장점이 있어, 장거리 노선과 대중 교통, 화물운송 시스템 등에 이상적이다. 또한, 수소에너지는, 액화천연가스와 같은 형태로 저장이 가능하다. 태양광발전이나 풍력발전으로 생산된 전기를, 수소의 형태로 보존할 수 있고, 전기, 열 등 다양한 에너지로 사용할 수 있으므로, 기존 재생에너지 인프라에도 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

수소에너지 생태계가 완성된다면, 수소에너지는 기존 화석에너지 사용의 많은 부분을 대체할 수 있는 에너지원이 될수 있을 것이다. 수분해를 이용한 그린수소 생산은, 궁극적인 이산화탄소-free 에너지원이고, 에너지 수요를 충족하면서 동시에 기후 위기에 대처할 수 있는, 궁극의 그린 재생에너지 원이다. 현재, 수분해를 이용한 수소 생산 측면에서는, 산업용 전기촉매 전극의 요구 사항을 충족시킬수 있는 저가의 수전해용 첨단 대체 전기 촉매 개발이 시급하다.

이번 연구의 연구진은 Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대 – 제1저자), Shalmali Burse (박사과정, 광운대), Shusen Lin (박사과정, 광운대), Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대), Mehedi Hasan Joni (박사과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대- 교신저자), Sang-Shin Lee (교수, 광운대- 교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다.

아하산 (Md Ahasan Habib) 학생은 2021년 광운대 전자과 박사과정으로 입학하였으며, 현재 박사과정3년차 연구원이다. 현재까지 다수의 우수한 주저자/공저자 논문을 출판하였다. Md Ahasan Habib연구원은, “논문이 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 남은 학위기간동안, 우수한 연구를 더 많이 진행하고 싶으며, 박사학위 취득후, 우수기관에서 계속 연구를 이어가 광운대를 빛내고 싶다.”는 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 BK-21, 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Small (JCR 카테고리 PHYSICS, CONDENSED MATTER 분야 7위 Q1, IF: 13.3) 2023년 11월자 온라인 판에 “Dual-functional Ru/Ni-B-P electrocatalyst towards accelerated water electrolysis and high-stability”의 제목으로 게재되었다.

Ru/Ni-B-P 전기촉매 전극 개략도. 이중 기능성 Ru/Ni-B-P 구체는 Pt/C ‖ RuO2의 벤치마크 전극에 비해 더 나은 2전극 전기촉매 성능을 나타냄. 하이브리드 (Hybrid) 시스템 (Pt/C ‖ Ru/Ni-B-P)은 2,000mA/cm2의 고전류 밀도에서 기록적인 높은 전기촉매 활성을 보여줌.

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