광운대 하태준 교수, 전기화학 수전해 및 이산화탄소 환원이 가능한 친환경 고효율CQD@MOF 전기화학 촉매 개발

중앙일보

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(좌측부터) 석사 과정 김명현, 하태준 교수, 석박사 통합과정 박상준

광운대학교 하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀은 천연 소재를 이용하여 carbon quantum dot (CQD)이 결합된 metal organic framework (MOF)를 합성하고 이를 통해 전기화학 방식의 수소 발생 반응 (HER) 및 산소 발생 반응 (OER)이 가능한 수전해 및 이산화탄소 환원용 전기화학 촉매를 개발하는데 성공하였다. 이번 연구 결과는 Elsevier에서 발행하는 재료 과학분야에서 최상위 국제 학술지인?Carbon (IF: 10.9, JCR ranking 상위 11.2%)에 Bifunctional carbon quantum dot-embedded metal-organic framework nanohybrid as a highly efficient electrocatalyst for water splitting and CO2 reduction 제목으로 게재되었다.

최근 전력을 수소 형태로 저장하고 필요시 수소 기체로부터 에너지를 얻어낼 수 있는 수소 연료 전지가 신재생 에너지원으로서 큰 주목을 받으면서, 물로부터 수소 에너지를 생산할 수 있는 전기화학 방식의 수전해 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 수전해 장치의 높은 효율을 위해 일반적으로 백금과 같은 귀금속 기반 촉매가 많이 사용되어 오고 있지만, 값이 비싸고 매장량도 적을 뿐만 아니라, 비교적 장시간 사용 시 성능 저하가 급격히 일어난다는 한계가 존재하였다.

이에 하태준 교수 (전자재료공학과) 연구팀은 간단한 수열 합성 방법을 통하여 MOF에 CQD를 결합하여 수전해 전기화학 촉매를 개발하였다. CQD는 천연 과일인 키위에서 추출하였고 CQD가 결합된 MOF 기반 전기화학 촉매는 수전해 기술 뿐만 아니라 이산화탄소의 전기화학적 환원 기술 적용이 가능하였다. CQD를 결합함으로써 MOF의 활성 영역을 증가시키고 전도도를 높일 수 있었으며, 합성 온도, 전해질 pH, 스캔 속도와 같은 다양한 조건을 최적화함으로써 각각 48 mV 및 135 mV의 낮은 과전압에서 50 mA/cm2의 전류 밀도와 함께 우수한 HER 및 OER 성능을 보였다. 또한, 4000번의 반복 동작 및 17시간 이후에도 안정적인 수전해 성능을 확보함으로써 제안된 전기화학 촉매의 높은 화학적 안정성을 확인하였고 91 %의 높은 이산화탄소 변환 효율을 보임으로써 이산화탄소의 전기화학적 환원을 성공적으로 시연하였다.

한편, 이번 연구는 본교 하태준 교수 연구팀 단독 연구로 진행되었으며, 미래창조과학부가 주관하는 한국연구재단 중견연구지원 및 기초연구실지원 사업으로 수행되었다. 하태준 교수 연구팀은 현재 첨단 재료를 기반으로 차세대 전자 소자 뿐만 아니라 신재생 에너지 기술에 관한 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, Carbon 소재와 관련된 40여편의 SCI 저널 게재 및 25여건의 국제/국내 특허 실적을 가지고 있다.