최근 환경오염과 연료고갈 문제가 심각해짐에 따라 고성능 에너지 생성과 변환, 그리고 이를 저장할 수 있는 장치 개발에 대한 연구가 주요 관심사로 떠오르고 있다. 이에 따라 물 분해 장치와 금속-공기전지, 수소 연료전지와 같은 시스템에 대한 소재 연구가 많이 진행되고 있다.

이러한 세계적 연구 흐름에 발맞춰 전북대학교 유동진 교수팀(생명과학과/대학원 에너지저장·변환공학과)이 효율성이 높으면서도 우수한 내구성을 갖는 전극 촉매를 개발해 세계 학계의 이목을 끌고 있다.

대학원 에너지저장·변환 공학과 나타라쟌 로제쉬바란 박사과정생과 라마크리샨 산무간 박사후연구원이 함께 한 이번 연구는 촉매연구 분야에서 세계 상위 1% 저널인  『Applied Catalysis B: Environmental(IF=16.683, Rank=0.94%)』에 온라인 최신판에 게재됐다. 오프라인에는 11월 15일자에 최종 게재될 예정이다.

이번 연구는 미래 대세로 자리매김하고 있는 친환경 그린 수소와 산소를 생산할 수 있는 촉매가 되는 동시에 미래 에너지 저장 장치의 배터리용 전극 촉매로도 활용될 수 있는 세 가지 기능을 갖는다는 점에서 주목된다.

이 연구 결과물을 활용한 물분해장치는 친환경 수소연료전지의 수소생산을 위한 가장 유망한 핵심기술이며, 아연-공기전지는 높은 에너지효율과 뛰어난 장기간 안정성으로 인해 충전식 에너지저장시스템에서 유망한 차세대전지 장치에 속한다.

이번 연구는 손쉬운 단일단계의 열수공정(one-pot hydrothermal process)을 통해 CoS2-NrGO(코발트/황-질소가 도입된 환원 그래핀 옥사이드, cobalt sulfide-nitrogen doped reduced graphene oxide)를 성공적으로 합성한 후, 초미세 백금(Pt)나노입자를 로딩한 Pt@CoS2-NrGO형태로 합리적인 구조설계 및 제조를 위한 새로운 전략을 제시했고, 그 결과를 입증했다.

Pt@CoS2-NrGO 전극촉매는 수소생산을 위한 물분해장치에 적용하였을 때, 10 mA cm-2에서 1.48 V의 전지전압에 도달했으며, 아연-공기전지의 공기극으로 사용한 Pt@CoS2-NrGO 전극촉매는 114 mW cm-2에 높은 전력밀도와 55시간의 내구성을 보여줌으로써 기존의 Pt-C+RuO2기반 아연-공기전지의 성능을 뛰어 넘었다고 연구진을 밝혔다.

이번 연구책임을 맡은 유동진 교수는 “이번 연구를 통한 전극촉매 개발이 금속-공기 전지 및 물분해 장치를 비롯한 다양한 에너지변환 및 저장 응용분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 지침이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 유동진 교수는 현재 산업통상자원부 KETEP사업, ‘연료전지시스템 전주기R&D 고급트랙 인력양성사업단’과 교육부 4단계 BK21사업, ‘수소에너지융복합기술 혁신인재양성사업단’의 단장을 맡고 있으며, 한국연구재단(NRF)의 중견연구자지원사업의 연구를 수행하고 있다.