에너지시스템학과

<아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사, 조인선 교수, 안병민 교수>

아주대 첨단신소재공학과 조인선∙안병민 교수 공동 연구팀이 청정 수소 생산용 전기화학촉매 신소재를 개발했다. 이에 물을 분해해 수소 연료를 생산하는 수전해 수소 생산 기술의 효율성과 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

조인선∙안병민 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 청정 연료인 수소의 생산을 위한 전기화학촉매 신소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘CuCoNiFeMn 고엔트로피 전기 촉매의 수전해 특성 향상을 위한 바나늄의 상호보완적 기능(Complementary Functions of Vanadium in Boosting Electrocatalytic Activity of CuCoNiFeMn High-Entropy Alloy for Water Splitting)’이라는 논문으로 재료 분야 저명 학술지인 <어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.0, JCR%=4.2%)> 8월22일자에 게재됐다.

이번 연구에는 아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사(현 나노정보융합기술 연구소)와 이한성 학생(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학)이 공동 제1저자로 참여했다. 황성원(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학) 학생은 공저자로 함께 했다. 

수소는 청정 에너지로 주목받고 있으나, 연료 생산 과정에서 탄소 배출이 수반된다는 점에서 활용에 어려움이 존재한다. 천연가스와 같은 화석 연료를 활용해 높은 온도에서 개질(reforming)해야하기에 탄소가 배출되기 때문이다. 

그러나 물을 활용하는 전기화학적 수전해 기술(electrocatalytic water splitting)은 전기로 물을 분해, 상온에서 청정 수소 연료를 생산하는 지속 가능한 기술이다. 이에 학계에서 고성능 전기화학촉매 소재를 개발해 안정성과 전류 밀도를 높이기 위해 노력해왔으나 이는 백금을 비롯한 귀금속 기반 소재 중심으로 진행되어 왔다.    

아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(HEAs)을 주목했다. 이는 5개 이상의 금속 원소가 무작위로 단일 결정 구조에 포함된 합금의 일종으로 표면 활성 원소를 원하는 대로 제어할 수 있고, 물리∙화학적으로 안정적이다. 또 강산 또는 강염기 용액에서 부식(화학반응으로 인해 분해되는 현상)되지 않는다는 장점도 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 몇몇 이론 연구에서 고엔트로피 합금(HEAs)을 전기화학적 수전해 기술의 촉매전극 소재로 유망할 것으로 예측해왔다. 하지만, 최적의 합금 원소 선택과 조합을 위해서는 각 금속 원소들의 상호 보완 작용 및 특성 향상 기작을 이해하는 것이 중요하다.

아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(VxCuCoNiFeMn기반)을 고에너지 볼밀링 공정으로 제조하고, 바나듐(V) 원소 첨가량에 따른 결정구조, 표면 조성, 전자 구조 및 전기화학적 거동을 체계적으로 측정 및 분석했다. 

이를 통해 알칼리성 환경에서 수전해 수소 발생 반응을 향상시키는데 바나듐이 결정적인 역할을 함을 실험적∙이론적으로 규명했다. 특히 바나듐이 표면 활성점과 전하 이동 특성을 현저히 증가시키고 동시에 물 분해 및 수소 흡착 에너지 장벽을 크게 낮춰 고성능 수전해 촉매 전극 소재로 활용될 수 있음을 확인했다. 

조인선 교수는 “대규모 전기화학 수전해 장치에서 활용할 수 있는 고엔트로피 합금 촉매 전극 소재 개발의 길을 열었다는 데 이번 연구의 의의가 있다”며 “더 나아가 각 원소의 역할을 연구, 더욱 경제적이고 효율적인 수전해 시스템을 설계, 상용화 할 수 있도록 노력할 것”이라고 전했다. 

이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.

<제조된 고엔트로피합금 신소재의 전자현미경 원소 분석 결과>

<고엔트로피합금 신소재 이용를 이용한 전기화학 수전해 소자의 특성 측정 결과 비교 결과>