김동하 교수팀, 세계 최초 수소 생산 성능 높인 새로운 전기촉매 개발
김동하
화학ㆍ나노과학과
키랄 플라즈모닉 단일원자 촉매로 수전해 성능 혁신
고효율 수소 생산 응용 진보적 전기촉매 플랫폼 제시
화학·나노과학과 김동하 교수 연구팀이 세계 최초로 산성 환경에서 물을 분해해 수소를 생산하는 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 전기촉매 기술을 개발했다.
이번 연구는 수소 경제 실현을 위한 핵심 기술 중 하나인 수전해(water electrolysis)의 성능과 내구성을 동시에 개선한 점에서 주목받고 있으며, 세계적인 재료과학 분야 학술지 <Advanced Materials>에 6월 26일(목) 게재됐다.
전기화학적 수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술로, 최근 재생에너지를 이용한 친환경 수소 생산 방법으로 주목받고 있다. 그러나 이 과정에서 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER)의 느린 반응 속도, 높은 에너지 손실(과전압)과 낮은 내구성으로 인해 산업적 활용에 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고효율·고내구성의 이중기능성 전기촉매 개발이 필수적인 과제였다.
김동하 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘플라즈모닉 효과’와 ‘키랄 유도 스핀 선택성(chirality-induced spin selectivity)’ 효과, 이리듐(Ir) 단일 원자(single atom catalyst) 촉매 기술을 결합한 새로운 전기촉매 플랫폼인 ‘안테나-반응기(Antenna-Reactor) 시스템’을 개발했다. 이 시스템에서는 키랄 구조의 금 나노입자가 빛을 흡수하고 전자의 스핀을 정렬시키는 안테나 역할을 하며, 그 표면에 고르게 분산된 이리듐 단일 원자는 실제 물 분해 반응을 유도하는 핵심 활성점으로 작용한다. 이를 통해 자기적 성질을 지닌 전자 흐름(스핀 분극 전류)이 형성되어 반응 속도와 효율을 크게 높일 수 있었다.
실험 결과, 이 촉매는 기존의 이리듐 산화물(IrO2) 촉매보다 3.5배 빠른 반응 속도(1.57볼트, 기준전극 대비)를 달성했고, 백금·탄소와 이리듐 산화물 촉매에 비해 내구성도 4.8배 이상 향상됐다. 특히, 산업 현장에서 요구되는 높은 전류 밀도(100mA cm-2) 조건에서도 480시간 이상 안정적인 작동을 유지하며 상업적 적용 가능성을 입증했다.
김동하 교수는 “이번 연구는 나노 광학과 전기화학, 스핀 과학이 융합된 새로운 물 분해 촉매 디자인의 패러다임을 제시한 것”이라며 “향후 지속 가능한 수소 생산 기술 개발에 있어 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과를 담은 논문 「Spin-polarized Acidic Water Electrolysis with Antenna-Reactor Plasmonic Electrocatalysts」은 한국연구재단 자율운영중점연구소 사업과 기초과학지원연구원의 기초과학연구역량강화사업(국가연구시설장비진흥센터), 글로벌 화학 기업 사이언스코(Syensqo)의 지원을 받아 수행되었다. 공동교신저자로는 경상국립대학교 방준호 교수, 연세대학교 문주호 교수, 대만국립대학교(National Taiwan University)의 루시 류(Ru-Shi Liu) 교수가 참여했다.