부산대학교 연구진이 물에서 수소를 뽑아내는 수전해 기술 및 수소 연료전지에 사용하는 새로운 촉매를 개발했다. 지금까지 촉매로 쓰여 온 비싼 백금에 저렴한 니켈을 섞은 나노 크기 입자를 그래핀에 결합한 것으로, 기존 촉매보다 최대 3배나 효율적이면서도 10시간 이상 성능을 유지해 차세대 에너지 기술의 혁신이 기대된다.

사진 왼쪽부터 부산대 이정우 교수, 조승근 박사과정생, 박길령 석사졸업생.부산대 제공

부산대학교(총장 최재원)는 재료공학부 이정우 교수팀이 백금 기반 합금의 정밀한 조성 변화를 통한 격자 수축 제어와 나노합금 입자-그래핀 이종원소 결합을 통해 높은 전류 밀도를 갖는 수전해* 및 수소 연료전지**용 촉매 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. 지속적인 화석 연료 사용으로 인한 온실 효과 및 환경 문제는 대체 에너지의 개발과 활용에 대한 관심을 높이고 있다. 특히, 수소 에너지는 높은 질량당 에너지 밀도 및 연소 시 이산화탄소 미발생과 같은 특성으로 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있다.

이 가운데, 수전해 및 연료전지 기술은 탄소 기반의 물질이 사용되지 않으면서 수소 에너지를 생산하고 활용할 수 있는 기술로, 많은 연구가 이뤄지고 있으며 현재는 백금(Pt) 나노 입자가 담지된 비정질 탄소 재료인 백금/카본 블랙을 상용 촉매로 활용하고 있다.

하지만, 백금/카본 블랙은 백금의 비싼 가격과 적은 매장량 및 카본 블랙의 낮은 장기 안정성으로 인해 대량 생산 및 상용화 측면에서 어려움을 겪고 있는 상태다.

이에 부산대 이정우 교수팀은 백금의 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시키기 위한 연구를 진행했다. 니켈(Ni)은 전이금속 중 하나로, 백금 가격의 약 1/2000 정도이며 백금과 혼합해 합금 형태로 제작 시 수소 생산과 산소 환원에서의 시너지를 일으켜 보다 높은 촉매 특성을 보여주는 것으로 알려져 있다.

또한, 탄소 동소체(同素體) 중 하나인 그래핀(Graphene)은 이론적으로 높은 비표면적(比表面積, 입자의 단위 질량당 표면적)과 전자 이동도를 갖고 있어 기존의 카본 블랙을 대체할 수 있는 촉매의 지지체로 밝혀졌으며, 그래핀에 질소와 같은 이종 원소를 도핑할 경우 활성과 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

연구진이 개발한 소재는 마이크로파를 활용한 용액상 공정으로, 수 나노 크기의 균일한 백금-니켈 나노합금 입자를 질소 도핑된 그래핀의 표면에 담지하는 방식으로 제작됐다. 이러한 합성 과정은 수산화기(-OH)를 갖는 유기 소재인 폴리올(Polyol)을 용매로 사용해, 마이크로파 인가 시 폴리올의 진동에 의한 마찰열 발생으로 이온 형태의 금속 전구체를 환원시켜 핵생성(Nucleation)을 유도하는 원리로 진행된다. 이는 수 분 내에 수 나노 크기의 균일한 소재 제작이 가능해 공정 과정에서 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

형성된 백금-니켈 나노합금 클러스터는 백금과 니켈의 원자 크기 차이로 인해 격자 수축 (Lattice strain)이 일어나는데, 백금-니켈 간의 조성을 조절함으로써 이러한 수축 정도를 조절해 촉매의 활성 경향을 파악하고 최적의 조성을 선정할 수 있다.

또한, 그래핀 표면에 도핑된 질소는 주변 탄소와의 전기 음성도 차이로 인해 높은 표면 에너지를 갖게 되며, 백금-니켈 나노합금 클러스터는 이러한 질소 위치에 비균일 핵생성으로 합성되고 화학적 결합을 이루게 된다. 이때, 결합한 질소와 클러스터 간 전자 이동 및 높은 결합 에너지로 탄소-클러스터 결합보다 높은 촉매 활성 및 내구성을 나타냈다.

제작된 촉매는 최적화된 백금-니켈 조성을 갖는 합금 클러스터와 질소 도핑된 그래핀 간의 시너지로 인해 기존에 사용되는 백금/카본 블랙 소재보다 산소 환원 반응에서 약 3배 이상 향상된 비면적 활성도* (Specific activity) 및 질량 활성도** (Mass activity)를 보였으며, 수소 생산 반응에서는 약 2배 정도 향상된 비면적 활성도, 질량 활성도를 나타냈다.최종 구현된 촉매는 아연-공기 2차 전지에 적용됐으며, 기존 상용 백금 및 이리듐 촉매보다 약 2배 이상 높은 전력 밀도 (Power density)를 나타냈다. 10시간 이상 충·방전 시에도 초기의 활성을 유지했다.

또한, 연구팀은 촉매 표면에서 생산된 수소를 포집해 시간에 따른 부피 변화를 관찰했으며, 일정 시간마다 포집된 수소의 양이 선형적으로 증가해 안정적으로 수소 생산이 가능함을 확인했다. 이러한 결과들을 바탕으로, 제작된 촉매는 차세대 에너지 생산 및 활용 소재로서 수소 자동차, 버스 등의 모빌리티나 발전 시스템 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

부산대 이정우 교수는 “이번 연구 결과는 마이크로파 가열을 통한 고속 합성 공정과 백금-니켈 조성 변화를 통해 격자 수축 정도를 제어하고 나노합금 클러스터-질소 결합 형성으로 기존의 백금 촉매보다 높은 촉매 활성을 달성했다는 데 의미가 있다”며 “빠르고 간단한 촉매 제작 공정과 더불어 백금 사용량을 줄이면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에 앞으로 많은 활용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 재료공학부 조승근 박사과정생과 박길령 석사졸업생이 제1저자, 부산대 이정우 교수가 교신저자로 수행했고, 국립안동대 전기·신소재공학부 이덕현 교수팀과 한국에너지기술연구원 김선이 박사팀과 공동연구를 통해 진행됐다. 이 연구는 한국에너지기술평가원과 산업통상자원부의 에너지인력양성사업, 과학기술산업화진흥원과 과학기술정보통신부의 학연협력플랫폼구축시범사업의 지원을 받았다.

해당 논문은 세계적인 과학저널 『에코맷 (EcoMat)』 2024년 12월 15일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.



논문 제목: Microwave-assisted Control of Pt-Ni Nanoalloy Clusters on the Nitrogen-doped Graphene Oxide for Energy Conversion with Oxygen Reduction Reaction and Hydrogen Evolution Reaction(마이크로파로 제어된 질소 도핑된 산화그래핀에 담지된 Pt-Ni 나노합금 클러스터를 통한 산소 환원 반응과 수소 발생 반응 기반의 에너지 전환)

논문 링크: https://doi.org/10.1002/eom2.12499