신소재공학과 박유세·박기대 교수 연구팀이 융합 연구를 통해 저비용으로 그린 수소를 대량 생산할 수 있는 음이온 교환막 수전해용 요크쉘 구조의 산소 결함이 풍부한 코발트 산화물 산소 발생 반응 촉매를 개발했다.

이번 연구는 음이온 교환막 수전해 연구를 전문으로 하는 박유세 교수 연구팀(김인태, 4학년)과 나노 소재 합성을 전문으로 하는 박기대 교수 연구팀(김상현, 석사 1년)의 융합 연구로 진행되었으며, 영국왕립학회(American Chemical Society)에서 발간하는 국제저명학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A (IF = 14.511)’ 2023년 31호의 표지 논문으로 게재되었다.

또한 이번 연구에는 친환경 방식과 대량 합성이 용이한 분무 열분해 공정을 이용하여 요크쉘 형태의 코발트 산화물을 단일 공정으로 대량 합성할 수 있는 기술이 적용되었다. 요크쉘 형태는 넓은 반응 표면적과 풍부한 기공을 가지고 있어 수전해 반응을 통해 발생된 기포를 빠르게 방출시킬 수 있어 수전해 반응에 적합한 구조체이다. 연구팀은 요크쉘 구조의 코발트 산화물의 산소 함량 제어를 통해 산소 발생 반응에 대한 과전압과 전하 전달 저항을 획기적으로 낮추었으며, 고가의 귀금속(RuO2)보다 우수한 촉매 성능을 보여주는 것을 확인하였다.

음이온 교환막 수전해 기술은 저렴한 비귀금속을 전극 소재로 사용할 수 있고 전극과 전극 간의 거리가 zero에 수렴하여 높은 수소 생산 효율을 달성할 수 있는 수전해 기술이며, 현재의 상업화된 수전해 기술을 대체할 수 있는 차세대 기술이다.

상업화된 수전해 장치는 대량의 수소를 생산하기 위해 고전류 밀도(1.0 A/cm2 이상)에서 작동된다. 연구팀이 개발한 요크쉘 구조의 산소 결함이 풍부한 코발트 산화물 산소 발생 반응 촉매가 적용된 음이온 교환막 수전해 장치는 고전류 밀도에서 우수한 성능(1.93 V @ 2.0 A/cm2)을 보여주었으며, 촉매가 얼마나 빠르게 반응물을 전환시킬 수 있는지 (TOF, TurnOver Frequency) 계산했을 때 귀금속 (RuO2)보다 약 2배 이상 빠른 것으로 확인되었다.

이번 연구는 충북대학교 산업과학기술연구소(소장 조정호)가 국립대학육성사업 미래 대응연구소 지원 사업을 지원 받아 수행되었다.

 

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