광운대 이지훈 교수팀, 고효율 그린수소 생산용 전극 개발

왼쪽부터 Rutuja Mandavkar 박사과정생(제1저자), 이지훈 교수(교신저자)

광운대학교는 최근 전자공학과 이지훈 교수 연구팀이 다면적 원형 마이크로 클러스터 구조 삼원 니켈-몰리브덴-붕소(NiMoB) 기반 고효율 그린수소 생산용 전극을 세계 최초로 개발했다고 11일 밝혔다.

최적화된 NiMoB 전극은 Pt/C || RuO2 벤치마크 전극보다 높은 전기화학적 물분해 성능을 보유했다. 체계적인 전극제조 매개변수 최적화와 함께 다중 구 형태의 삼원 NiMoB 전기 촉매는 전극의 개선된 결정도와 중간체의 흡수 및 탈착을 통해 높은 활성 표면적, 낮은 임피던스 및 낮은 반응 에너지 장벽을 보여줬다.


Ni-Mo의 전이금속 매트릭스에 붕소를 통합해 전자가 풍부한 금속 사이트와 전극의 안정성이 개선된 운동 장벽을 낮춰 물 분해 능력이 크게 향상된 것이다.

특히 2전극 시스템에서 개선된 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 역학으로 1M KOH 50mA/cm2에서 1.61V의 전환 과전위를 달성했다. 더 중요한 것은 NiMoB 전기 촉매는 1M KOH에서 1250 mA/cm2 이상, 해수(SW) + 1M KOH에서 1100 mA/cm2 이상의 고전류 범위에서 Pt/C || RuO2 벤치마크 전극보다 더 나은 성능을 보였다는 것이다.

또한 500 mA/cm2에서 12시간 동안 매우 안정적인 크로노암페로메트리(CA) 작동과 60°C, 6M KOH에서 8시간 동안 선형 스위프 전압전류법(LSV)을 1000회 반복해 산업용 전기화학 물 분해 조건에서 안정적이라는 사실을 입증했다.


이번 연구의 연구진은 △Rutuja Mandavkar(박사과정, 광운대-제1저자) △Md Ahasan Habib(박사과정, 광운대) △Shusen Lin (석·박사통합과정, 광운대) △Rakesh Kulkarni (박사과정, 광운대) △Shalmali Burse(박사과정, 광운대) △Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대-교신저자) △Jihoon Lee(교수, 광운대-교신저자) 등으로 구성됐으며, 국제 공동 연구로 진행됐다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus(BK-21+)와 중점연구소 사업, 광운대의 지원을 받았다.

연구결과는 과학전문지 Applied Materials Today(JCR 카테고리 분야 Q1 MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY, IF: 8.663) 2022년 7월 자 온라인 판에 'Electron enriched ternary NiMoB electrocatalyst for improved overall water splitting: Better performance as compared to the Pt/C || RuO2 at high current density'라는 제목으로 게재됐다.