융합공학부 하돈형 교수 연구팀, 비귀금속 인화물 촉매 연구로 차세대 수소 생산 효율 높여
하돈형 융합공학부 교수 연구팀이 남인호 화학공학과 교수 연구팀, 유성종 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구단 박사 연구팀과 공동으로 비귀금속 기반 다금속 인화물 나노입자 촉매를 개발하고, 고성능·고내구성 음이온교환막 수전해 구현에 성공했다.
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술로, 재생에너지 기반 그린수소 생산의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 수소 생산 과정에서 탄소 배출을 줄일 수 있어 차세대 청정에너지 기술로 평가된다. 그러나 고성능 수전해 전지에는 백금, 이리듐 등 고가의 귀금속 촉매가 주로 사용돼 상용화 과정에서 비용 부담이 크다는 한계가 있다.
음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 작동할 수 있어 귀금속 촉매 의존도를 낮출 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 하지만 비귀금속 촉매는 실제 구동 조건에서 표면 구조가 계속 변화하기 때문에 높은 활성과 장기 내구성을 동시에 확보하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 코발트, 니켈, 철로 구성된 다금속 인화물(Co-Ni-Fe-P) 나노입자 촉매를 설계하고, 조성 변화에 따른 수소 발생 반응과 산소 발생 반응 특성을 체계적으로 분석했다. 또한 작동 중 실시간 분광 분석을 통해 촉매 표면의 산화 상태 변화와 재구조화 거동을 확인했다.
그 결과 코발트가 풍부한 다금속 인화물 촉매에서 반응 중 활성 표면 구조가 효과적으로 형성되며, 이러한 표면 재구조화가 높은 촉매 활성과 장기 내구성에 중요한 역할을 한다는 점을 규명했다.
개발된 Co-Ni-Fe-P 나노입자 촉매는 음이온교환막 수전해 단위전지에서도 우수한 성능을 보였다. 수소극과 산소극 모두에 적용한 전지에서는 2.0 V에서 5.73 A cm⁻²의 전류밀도를 달성했으며, 산소극 촉매로 적용한 경우 2.0 V에서 11.43 A cm⁻²의 높은 전류밀도를 나타냈다. 또한 1.0 A cm⁻² 조건에서 500시간 동안 안정적인 구동 성능을 유지했다.
이번 연구는 비귀금속 촉매만으로도 기존의 귀금속 촉매 기반 수전해 전지에 근접한 성능을 구현할 수 있음을 보여준다. 특히 촉매 조성 제어, 작동 중 표면 구조 분석, 단위전지 성능 검증을 함께 제시해 저가 수전해 촉매 개발의 실용 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다.
하돈형 교수는 “비귀금속 기반 다금속 인화물 촉매의 조성을 제어하고 작동 중 실시간 분광 분석을 통해 촉매 표면 변화를 규명함으로써 고성능 수전해 촉매의 설계 원리를 제시했다”며 “이번 연구는 고가의 귀금속 촉매를 대체하면서도 높은 성능과 내구성을 확보할 수 있는 저가 수전해 전극 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구의 상세 내용은 Cobalt-Engineered Multimetallic Phosphides with Switchable HER–OER Activity for Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolysis 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 Advanced Functional Materials [I.F.=19.0]에 2026년 5월 26일 자로 온라인 게재됐다.
본 연구는 H2GATHER사업, H2 NEXT ROUND사업 및 KIST 미래원천청정수소융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술로, 재생에너지 기반 그린수소 생산의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 수소 생산 과정에서 탄소 배출을 줄일 수 있어 차세대 청정에너지 기술로 평가된다. 그러나 고성능 수전해 전지에는 백금, 이리듐 등 고가의 귀금속 촉매가 주로 사용돼 상용화 과정에서 비용 부담이 크다는 한계가 있다.
음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 작동할 수 있어 귀금속 촉매 의존도를 낮출 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 하지만 비귀금속 촉매는 실제 구동 조건에서 표면 구조가 계속 변화하기 때문에 높은 활성과 장기 내구성을 동시에 확보하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 코발트, 니켈, 철로 구성된 다금속 인화물(Co-Ni-Fe-P) 나노입자 촉매를 설계하고, 조성 변화에 따른 수소 발생 반응과 산소 발생 반응 특성을 체계적으로 분석했다. 또한 작동 중 실시간 분광 분석을 통해 촉매 표면의 산화 상태 변화와 재구조화 거동을 확인했다.
그 결과 코발트가 풍부한 다금속 인화물 촉매에서 반응 중 활성 표면 구조가 효과적으로 형성되며, 이러한 표면 재구조화가 높은 촉매 활성과 장기 내구성에 중요한 역할을 한다는 점을 규명했다.
개발된 Co-Ni-Fe-P 나노입자 촉매는 음이온교환막 수전해 단위전지에서도 우수한 성능을 보였다. 수소극과 산소극 모두에 적용한 전지에서는 2.0 V에서 5.73 A cm⁻²의 전류밀도를 달성했으며, 산소극 촉매로 적용한 경우 2.0 V에서 11.43 A cm⁻²의 높은 전류밀도를 나타냈다. 또한 1.0 A cm⁻² 조건에서 500시간 동안 안정적인 구동 성능을 유지했다.
이번 연구는 비귀금속 촉매만으로도 기존의 귀금속 촉매 기반 수전해 전지에 근접한 성능을 구현할 수 있음을 보여준다. 특히 촉매 조성 제어, 작동 중 표면 구조 분석, 단위전지 성능 검증을 함께 제시해 저가 수전해 촉매 개발의 실용 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다.
하돈형 교수는 “비귀금속 기반 다금속 인화물 촉매의 조성을 제어하고 작동 중 실시간 분광 분석을 통해 촉매 표면 변화를 규명함으로써 고성능 수전해 촉매의 설계 원리를 제시했다”며 “이번 연구는 고가의 귀금속 촉매를 대체하면서도 높은 성능과 내구성을 확보할 수 있는 저가 수전해 전극 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연구의 상세 내용은 Cobalt-Engineered Multimetallic Phosphides with Switchable HER–OER Activity for Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolysis 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 Advanced Functional Materials [I.F.=19.0]에 2026년 5월 26일 자로 온라인 게재됐다.
본 연구는 H2GATHER사업, H2 NEXT ROUND사업 및 KIST 미래원천청정수소융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.