전북대학교 김도환 교수팀(사범대 과학교육학부, 대학원 에너지저장·변환공학과)이 수소를 고효율로 저렴하게 생산할 수 있는 고성능 촉매를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

전북대학교 김도환 교수와 다오 티 후옌 박사과정생, 살림 시트라 박사과정생은 니켈-철 나노시트를 중층으로 쌓은 수산화물(LDH) 구조의 물 분해 촉매(def-Ru-NiFe LDH/NiCo2O4)를 개발했다고 19일 밝혔다.

이는 일반적으로 귀금속(백금, 이리듐, 루테늄 등)이 사용되는 고가의 상용 촉매 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 방법이다.

이번 연구 결과는 그 우수성이 입증되어 재료 분야 세계 최고 권위 학술지 중 하나인 『Chemical Engineering Journal)(IF=15.1)』의 최신호에 ‘Dual efficiency enhancement in overall water splitting with defect-rich and Ru atom-doped NiFe LDH nanosheets on NiCo2O4 nanowires’라는 제목의 논문으로 게재됐다.

친환경 그린수소 실현을 위해 개발된 이 기술은 니켈-코발트(NiCo2O4) 나노와이어 위에 루테늄을 소량 도핑해 니켈-철 나노시트를 결합한 중층 구조의 수산화물(LDH) 구조 합성으로, 높은 촉매 활성을 갖는 물 분해 촉매(def-Ru-NiFe LDH/NiCo2O4)를 기존에 상용되고 있는  상용 촉매 대비 절반 이하의 비용으로 제조하는 방법을 제시한 것이다.

그리고 전산 모델링를 통해 전하밀도 변화를 분석하고, 수전해 과정에서의 전극 표면 반응 메카니즘을 원자 수준에서 규명했다.

제조된 물 분해 촉매(def-Ru-NiFe LDH/NiCo2O4)는 기존에 널리 사용되고 있는 상업용 촉매인 IrO2∥Pt/C(~1.61V @10mAcm-2)에 비해 낮은 1.58V(@ 10 mA cm-2)의 셀전압을 보였다. 내구성 측면에서도 매우 뛰어나 60시간 동안 작동 후에도 초기 성능이 유지되어 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

이러한 그린수소 생산 기술의 개발은 우리나라의 수소경제사회를 실현하는 데 크게 기여할 것으로 보인다. 또한 이번 연구를 통해 전북대가 그린수소 생산 분야에서 세계적으로 선도적인 연구를 수행하고 있음을 다시 한 번 입증하였다.

김도환 교수는 “미래 수소경제사회를 위해 반드시 해결해야 하는 핵심 기술인 고활성 그린수소를 저비용으로 생산할 수 있는 원천기술을 마련했다는 데 이번 연구의 의미가 있다”라며 “그린수소를 고효율로 저렴하게 생산할 수 있는 고성능 촉매를 개발함으로써 탄소중립실현에 크게 기여할 것이며, 조속히 실제 산업에 적용될 수 있도록 상용화를 위해 노력하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지역혁신선도연구센터(RLRC) 사업과 교육부의 한국연구재단(NRF) 기초연구사업 및 BK21 FOUR사업의 지원을 받아 수행됐다.