(왼쪽에서 두번째 진하늘 융합에너지신소재공학과 교수)

동국대-고려대-성균관대-KIST 공동연구진은 그린 수소 생산 비용을 대폭 절감하는 기술적 해결책을 찾아냈다. 동국대학교 진하늘 교수 연구팀, 고려대학교 이광렬 교수 연구팀, 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀은 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브* 형태로 구현한 음이온 교환막 수전해 장치용 양극재 소재를 개발했다.
*이중벽 나노튜브: 나노 사이즈의 직경을 갖는 실린더 형태로 속이 빈 두 실린더가 겹쳐져 있는 구조

연구팀은 ‘음/양이온교환’ 라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어하여 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공하였다. 또한, 이를 양극재 소재로 활용하여 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화하여 상용 백금 및 루테늄 촉매 대비 그린 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있었다.

이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 2024년 02월 02일 재료과학분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 상위 분야 3%) 에 게재됐으며, 연구결과는 에너지, 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 후면 표지 논문(back cover)으로 선정됐다. 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 세종과학펠로우십, 리더연구사업, 대학중점연구소지원사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업 등으로 수행됐다.

- 논문명 : Double-walled Tubular Heusler-type Platinum-Ruthenium Phosphide as All-pH Hydrogen Evolution Reaction Catalyst Outperforming Platinum and Ruthenium

- 논문게재지 : Advanced Energy Materials
(2024년 02월, online published),
(Adv. Energy. Mater. 2024, DOI: 10.1002/aenm.202304269)



*추가설명
음이온 교환막 수전해 (AEM) 기술은 알칼라인 수전해 (AEC)와 고분자 전해질막 수전해 (PEM)의 우수한 특성을 결합한 혁신적인 차세대 수전해 기술이다. 그러나 그린 수소 생산을 위한 음이온 교환막 수전해 방식은 고성능을 확보하기 위해 귀금속인 백금을 촉매로 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 있는 촉매 물질의 개발이 시급하다.

연구팀은 ‘음/양이온변조’ 라는 새로운 방식으로 나노입자를 제어하여 백금, 루테늄, 인으로 이루어진 삼원계 물질(PtRuP2)을 이중벽 나노튜브 형태로 구현하는데 성공하였다. 이를 양극재 소재로 활용하여 음이온 교환막 수전해 장치를 최적화하여 상용 백금 및 루테늄 촉매보다 그린 수소 생산 단가를 크게 낮출 수 있었다.

수전해 촉매의 성능평가 결과에 따르면, 개발한 PtRuP2 기반의 이중벽 나노튜브 수전해 촉매는 수전해 작동 전압인 2 V 영역에서 9.40 A/cm2 (제곱센티미터당 암페어)의 전류밀도를 나타냈다. 이는 상용 촉매인 백금 촉매의 전류밀도 5.44 A/cm2보다 1.7 배 이상 우수하며, 약 270 시간 이상의 장기 내구성을 보였다.

연구팀은 P 음이온에 의해 격자화된 Ru 및 Pt이 각각 물 분해와 수소 생산에 특화되어 있다는 것을 발견했으며, 나노구조 안에서 각 원자 간의 시너지 효과를 구현하면 촉매의 성능을 극대화할 수 있음을 밀도범함수 이론적 분석과 실시간 operando XAS 실험분석을 통해 입증하였다.

진하늘 교수는 "본 연구의 중요점은 ‘이온 변조’라는 새로운 방식을 이용하여 물질의 상과 형태를 동시에 제어하는 방법론을 개발한 것"이라 설명했다. 그는 "이러한 방법을 기반으로 새로운 차원의 수전해 촉매를 개발 할 수 있을 것으로 예상된다"고 강조했다.