입력 2025.12.26 10:11
- 전체 비귀금속 소재로 이루어진 음이온 교환막 수전해 높은 성능 달성
- 비귀금속계 수소 발생 전극에도 불구하고 1.9 V에서 2 A/cm2의 높은 성능 구현
- 그린 수소 가격 저감을 통한 상용화 앞당겨
한국공학대학교(총장 황수성) 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 저비용 알카라인 수전해 (Alkaline water electrolysis, AWE) 및 음이온 교환막 수전해 (Anion-exchange membrane water electrolysis, AEMWE)을 위한 고성능 인(P)화 니켈-철 수소 발생 전극 (Hydrogen evolution electrode)을 개발했다.
AWE 및 AEMWE와 같은 알칼라인 기반의 수전해 장치들은 비귀금속 촉매의 적용이 가능하다는 점에서 차세대 그린 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 이는 고가의 귀금속 사용을 줄여 수소 생산 비용을 절감할 수 있는 장점으로 이어진다. 그럼에도 불구하고, 비귀금속계 수소 발생 반응 (Hydrogen evolution reaction, HER) 촉매는 백금과 같은 귀금속계 촉매에 비해 낮은 전기화학적 성능을 보이므로, 특히 AEMWE 시스템에서는 여전히 백금 촉매를 포함한 연구가 주를 이루고 있다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 니켈-철 전극에 인(P)화 열처리하여 고성능 저비용 HER 전극을 개발하였다. 해당 전극은 이전 산소 발생 전극 연구에서 개발한 일체형 전극을 기반으로 인을 도핑하여 일체형 전극 및 인화 열처리 효과를 통해 HER 활성을 개선하고자 하였다.
실험 결과, 다양한 물리적/화학적/전기화학적 분석 및 DFT 시물레이션을 통해 전극의 특성들을 분석하였다. 단위전지 평가에서는 AWE와 AEMWE 두 장치 모두 다른 전극들에 비해 개선된 성능을 보였고, 특히, AWE 및 AEMWE 단위전지 성능들이 다른 참고문헌들과도 비교했을 때, 높은 수준의 성능 (약 1 (AWE)와 2 (AEMWE) A/cm2)을 확인하였다.
박지은 교수는“이번 성과로 전체 비귀금속 촉매를 사용한 수전해를 생산할 수 있는 가능성을 보였다”며, “향후 그린 수소 생산 단가를 낮출 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국과학기술연구원 박성빈 박사(제1저자), 신유진 서울대학교 박사과정생(제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생(공저자), 이대현 학사과정생(공저자)이 공동으로 수행했다. 또한, 본 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 “알칼라인 수전해 기술개발”의 지원을 받아 수행되었다.
연구 결과는「All-non-noble metal alkaline-based water electrolysis with NiFeP bamboo-like cathode」이라는 제목으로, 화학공학 분야 권위 있는 국제 학술지 Chemical Engineering Journal (IF=13.2)에 2025년 12월 1일자로 온라인 게재됐다.
<논문정보>
1. 논문명: All-non-noble metal alkaline-based water electrolysis with NiFeP bamboo-like cathode
2. 게재 학술지: Chemical Engineering Journal (IF=13.2)
3. 게재일: 2025년 12월 1일
4. DOI: 10.1016/j.cej.2025.170346