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니켈·코발트·철 기반 계층형 촉매 구현…장시간 구동에도 높은 활성·내구성 유지
실시간 X선 분석·계산과학으로 촉매 활성·안정성 향상 원리 규명
 

이용걸 교수(화학공학과) 연구팀이 니켈(Ni)·코발트(Co)·철(Fe)등 비귀금속을 활용해 높은 활성과 내구성을 갖는 수전해 전극 촉매를 개발했다.  수전해는 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술이다. 특히 산소 발생 반응(OER)은 많은 에너지가 필요한 만큼 고성능 촉매 개발이 수소 생산 효율을 좌우한다. 

기존 루테늄(Ru)·이리듐(Ir) 기반 귀금속 촉매는 높은 성능에도 불구하고 가격이 비싸고 희소성이 높아 대규모 상용화에 한계가 있다. 대안으로 주목받는 니켈 기반 촉매는 장시간 사용하면 활성 구조가 변하고 성능이 저하되는 문제가 있었다.
 

▲ [왼쪽부터] 이용걸 교수 및 김두현 박사과정 수료생(대학원 화학공학과)  
 

연구팀은 Ni(니켈)-Co(코발트)-Fe(철) 합금의 표면을 전기화학적으로 재구성해 촉매 내부에 전기가 잘 통하고 표면 반응이 활발하게 일어나는 다공성 활성층을 형성하는 ‘계층형(hierarchical) 구조’를 구현했다. 
 

특히 연구팀은 실시간 X선 분석과 계산과학을 결합해 촉매의 성능과 내구성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 규명했다. 이를 통해 니켈 활성상이 산화·환원 과정에서 안정적으로 변화하고 회복되는 현상과 철(Fe) 성분의 용출 억제가 촉매의 높은 활성과 장기 내구성을 유지하는 핵심 원리임을 밝혔다.
 

▲ 이용걸 교수팀의 이번 연구는 향후 대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산 기술은 물론 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에도 활용될 것으로 기대한다. [※사진은 연구 모식도] 
 

연구팀이 개발한 촉매는 기존 니켈-철계 촉매(NiFe-LDH)보다 높은 전류밀도에서도 우수한 성능을 유지했으며, 기존 금속 합금보다 약 7배 높은 반응활성빈도(TOF)를 나타냈다. 
 

태양광·풍력 등 전력 공급이 불안정한 재생에너지 환경을 모사한 반복적인 작동 시험에서도 우수한 내구성을 유지했으며, 산소 발생 반응뿐 아니라 요소 산화 반응(UOR)에서도 높은 성능을 보여 차세대 친환경 수소 생산 기술에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
 

이용걸 교수는 “이번 연구는 실시간 X선 흡수분광과 계산과학을 융합해 다성분 비귀금속 촉매의 활성과 안정성이 향상되는 원리를 원자 수준에서 규명했다는 데 의미가 있다”라며 “향후 대용량 수전해 시스템과 요소 기반 친환경 수소 생산 기술은 물론 다양한 전기화학 에너지 변환 촉매 설계에도 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
 

이번 연구 결과는 나노재료기술 분야 국제학술지 「Small (2024 IF 12.1)」에 온라인(https://doi.org/10.1002/smll.74852) 게재됐다. 논문명은「In Situ XANES and DFT Insights Into Hierarchical NiCoFe Catalysts for Highly Active and Durable Oxygen Evolution and Urea Oxidation」이며, 한국연구재단 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.