나노 입자 촉매의 3차원 구조체 증착 및 고성능 수소극 적용 개념도

융합공학부 하돈형 교수와 박윤수 박사과정 재학생(제 1저자) 연구팀이 비귀금속나노 입자 촉매 기반의 3차원 구조체 증착 기술을 개발함으로써 고분자 전해질막(Proton exchange membrane, PEM) 기반 수전해 장치에 사용 가능한 고성능 수소극 구현에 성공했다.

물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 친환경적인 ‘수전해 방식’을 이용할 때 가격이 비싼 백금 촉매(Pt)를 사용하지 않고 촉매 효율과 수소 생산성을 극대화하는 방식을 개발한 것이다.

수전해 시스템에 나노 입자 촉매를 적용하기 위해서는 다공성 기판에 전극화 하는 과정이 필수적으로 요구된다. 연구팀은 개별적인 인화철(FeP) 나노 입자들의 촉매 활성을 극대화하고 넓은 전기화학적 표면적을 확보할 수 있는 전극 제조 기술을 개발했다. 증착 공정 제어를 통해 나노 입자 촉매의 전기화학적 특성이 극대화될 수 있는 넓은 전기화학적 표면적을 가진 다공성 구조 촉매층의 전극을 구현하였고, 수전해 장치에 적용되었을 때 기존 방식으로 제조된 전극보다 뛰어난 수소 생산성과 안정성을 달성하였다.

하돈형 교수는 “나노 입자 촉매의 집합적 특성을 극대화하는 전략을 통해 비귀금속 촉매의 수소생산 효율을 최대로 끌어올리면서 내구성도 향상시켰다“며 “본 증착 기술이 기능성 나노 입자들을 다양한 에너지 전환 장치의 고성능 전극으로 적용하는데 효과적인 방법으로 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구의 상세 내용은 ‘Design of nanocatalyst for electrode structure: Electrophoretic deposition of iron phosphide nanoparticles to produce a highly active hydrogen evolution reaction catalyst’ 논문을 통해 확인 가능하다. 해당 논문은 화학-에너지 분야 저명 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (2020 인용 지수 13.273)에 10월 30일자로 온라인 게재됐다.