전기방사법을 활용한 전이금속 기반 이종 구조 촉매 개발 및 수전해 성능 향상

[에너지경제신문 박성준 기자] 한국에너지공과대학교 심욱 교수 연구팀 (주저자: 수렌드란 박사)이 전기방사법을 활용하여 황, 질소가 도핑된 탄소 나노 섬유에 내장된 이종 구조의 코발트-니켈 산화물을 합성하여 비귀금속 기반의 저비용 고효율 전기촉매로 최적화하였다고 29일 전했다.

전기화학적 물분해는 미래의 지속 가능한 에너지로 인정받고 있는 친환경 수소를 생산하는 친환경적인 방법으로 기존에는 수전해 시 발생되는 과전압을 줄이기 위해 백금, 루테늄 등의 귀금속 촉매를 사용했다. 전기화학 물분해 시스템의 비용, 운영 효율성 및 장기적인 내구성은 전기촉매의 선택에 따라 크게 달라진다. 따라서 효율적이고 지속 가능한 물분할 시스템을 구축하기 위해서는 우수한 촉매 설계 전략을 개발하는 것이 중요하다.

연구팀은 황이 풍부한 Co-NiO 헤테로구조를 전기방사법으로 질소가 풍부한 탄소 나노섬유에 캡슐화시켜 비귀금속 촉매 (SCNO@N-CNF)를 제작하였다. 니켈 산화물의 우수한 전기화학 활성을 기반으로 3방향 산화 환원 활성 중심, 즉 전자 재분배 활성 Co-NiO 계면, 전자 밀도가 변형된 황-도펀트 사이트, 질소가 풍부한 다공성 탄소나노섬유 매트릭스 구조로 인해 제조된 전기 촉매의 산소 발생 반응(OER) 및 수소 발생 반응(HER) 성능이 향상되었다. 또한, SCNO@N-CNF는 전체 전기화학적 물분해에서 이원적 전기촉매로 분석되었으며, 1.58 V에서 10 mA cm-2를 나타냈다.

본 연구는 단일 전기촉매에 다중 활성 소자를 설계 및 엔지니어링하는 것으로 효율적이고 지속 가능한 물분해 시스템을 구축하기 위한 효과적인 접근 방식을 제시하여 Advanced Materials Technologies (피인용지수 6.8)에 개제되었다.