이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 대규모 그린수소 생산 가능한 고다공성 고효율 고안정성 코발트-망간-붕소 (CoMnB) 전기촉매 개발

- Wiley Advanced Sustainable Systems 저널 2022년 9월호 표지 논문 선정 -

- 표면적 크게 향상된 고다공성 클러스터 필름 형태 코발트-망간-붕소 합금 이용하여 Pt/C || RuO2 표준 벤치마크 전극보다 우수한 성능 보여 -

(좌) 임술삼 박사과정 연구원 / (우) 이지훈 교수

본교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 임술삼 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 대규모 고효율 그린수소 생산이 가능한 고다공성 클러스터 필름 (high porosity cluster film, HPCF) 형태의 코발트-망간-붕소(CoMnB) 합금 전기촉매 전극 개발을 세계 최초로 성공하였다. HPCF 코발트-망간-붕소 전기 촉매는 1 M KOH 20 mA/cm-2에서 1.59 V의 낮은 2-전극 전환 전압과 우수한 이중 기능성(bi-functionality)을 보여주었다. 또한, HPCF CoMnB 전극은 1 M KOH에서 Pt/C || RuO2 표준 벤치마크 전극과 비교하여, 800 mA/cm-2 이상 전류에서 벤치마크 전극을 능가하여 고전류 산업전극 작동조건에서 벤치마크 전극보다 우수한 수소/산소 생성 성능을 나타내었다. HPCF CoMnB는 또한 실제 해수 1 M KOH에서 우수한 전기 촉매 활성도를 나타내었으며, 고전류에서 연속 72시간 작동 테스에서 안정적인 전류를 나타내어, 우수한 안정성과 1000사이클 반복 테스트 후에도 우수한 반복성을 나타내었다.

인류는 탄소기반 에너지의 무분별한 사용으로 인한 기후변화, 지구온난화, 대기오염과 같은 심각한 환경 문제를 겪고 있다. 앞으로 탄소 기반 에너지의 사용빈도를 신속히 줄여나가야 하는 난제를 안고 있는 상황에서, 높은 중량에너지 밀도와 탄소 배출 제로 특성을 가지는 수소는, 재생에너지의 또 다른 대안으로 큰 주목을 받고 있다. 수소에너지는 저탄소/탄소중립시대의 핵심에너지로 호평 받고 있으며, 교통, 산업개발, 주거 등에 활용하기 위한 기술/인프라 개발이 활발히 진행되고 있다. 수소 생산은 물분해, 가스화, 가스개질, 석탄개질, 오일개질 등의 다양한 방법으로 생산이 가능한데, 여타의 수소생성 방식과 비교하여, 전기 촉매기반 물분해 수소 생산은 탄소 배출이 전혀 없고, 재활용이 가능한 초순수 수소 생성에 매력적인 접근 방식이다. 전기촉매 물분해는 수소발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)으로 구성되고, 2개의 전극을 필요로 한다. 현재는, Pt/Pd 및 IrO2/RuO2 등이 우수한 물 분해 능력으로 인해 과전위가 낮은 HER 및 OER용 벤치마크 표준 전기촉매의 기준이 되고 있다. 하지만, 우수한 성능과 안정성에도 불구하고, 희귀 금속을 사용하는 표준 전극은 높은 비용 및 한정된 매장량에 기인하여 대규모 물분해 수소생산 구현을 가로 막는 걸림돌이 되고 있다. 저렴한 비용의 고효율 및 안정성을 제공하는 전기촉매 개발은 전기 화학적 물분해에 의한 녹색 수소 생산의 산업적 적용에 필수 주요 과제 중 하나이다.

사진 설명: 고효율 그린수소 생산용 고다공성 클러스터 필름 형태 코발트-망간-붕소(CoMnB) 합금 전기촉매 개략도 (저널 커버- Advanced Sustainable Systems, Vol 6 Iss 9, 2022)

이번 연구에서 연구진은 다양한 전기화학적 매개변수의 체계적 제어에 의해, 고다공성 클러스터 필름 형태의 CoMnB 물 분해 전기촉매를 개발/최적화 하였다. CoMnB 전기촉매는 붕산 (H3BO3) 및 염화 암모늄 (NH4Cl)을 포함하는 수소 기포 (H2↑) 생성으로 인해 고다공성 클러스터 필름 형태를 가지도록 구성되었다. 코발트-망간 전이 금속 매트릭스에 붕소를 혼입하면 높은 전자 밀도를 갖는 전극의 고유 활성도를 크게 향상 시킬 수 있다. 또한 고다공성 클러스터 필름 형태는 높은 전기화학적 활성 표면적을 제공하여 개선된 HER 및 OER 역학을 위한 수소 양성자와 히드록실 작용기의 신속한 흡착 및 반응을 위해 더 많은 활성 부위를 노출시킨다. 또한 전구체 농도, 온도, 지속 시간 및 후-어닐링의 체계적인 최적화는 전극의 높은 전도도와 함께 개선된 국부 결정성을 제공하여 빠른 전자 수송, 증가된 전하 수송 특성을 합산하여 전체 과전위를 감소시킬 수 있었다. 최적화된 CoMnB 전극은 HER 및 OER 모두에 대해 우수한 이중 기능 (Bifunctionality) 물분해 성능을 보여주었다. 2-E 구성 (CoMnB || CoMnB) 800 mA/cm-2 이상에서 벤치마크 전극보다 우수한 성능을 보여주었다. 이러한 결과는 CoMnB 전기촉매가 산업용 수소 생산에서 벤치마크 전극을 대체할 수 있음을 나타낸다. CoB, MnB 및 CoMnB와 같은 이원 및 삼원 전기촉매의 HER 및 OER 성능을 체계적으로 연구하고 결합 에너지 및 Gibbs 자유 에너지(ΔGH) 계산을 통해 삼원 CoMnB의 우수성을 확인하였다.

이번 연구의 연구진은Shusen Lin (박사과정, 광운대 – 제1저자), Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대), Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대), Rakesh Kulkarni(박사과정, 광운대), Shalmali Burse (박사과정, 광운대), Young-Uk Chung (교수, 광운대), Changsheng Liu (교수, 하이난대 중국-교신저자), Zilin Wang (박사과정, 하이난대 중국), Shiwei Lin (박사과정, 하이난대 중국), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대-교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대와 중국 하이난대 공동연구로 진행되었다. 임술삼 (Shusen Lin) 학생은 2019년 광운대 전자과 석박통합과정으로 입학하였으며, 현재 통합과정 3년차 연구원이다. 현재까지 다양한 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하였다. 임술삼 연구원은 광운대 전자과 입학후 열심히 학업에 임하고 있으며, 제1저자 논문이 우수한 저널에 커버로 선정되어 기쁘다. 박사학위 기간중, 우수한 연구 성과를 계속 발표하여, 본국 대학에서 후학 양성 및 연구를 계속 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21 ), 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Advanced Sustainable Systems (JCR IF: 6.737) 2022년 9월자에 “Higher Water-Splitting Performance of Boron-Based Porous CoMnB Electrocatalyst over the Benchmarks at High Current in 1 m KOH and Real Sea Water”의 제목으로 게재되었으며, Advanced Sustainable Systems Volume 6, issue 9에 저널 커버로 선정되었다.* Web link: https://onlinelibrary.wiley.com/toc/23667486/current