전인엽 원광대 화학공학과 교수팀, 그래핀 기반 수소발생반응 촉매 개발

우수한 성능과 고안정성의 그래핀 기반으로 촉매 성능과 안정성 동시 개선

원광대학교(총장 박성태) 창의공과대학 화학공학과 전인엽 교수 연구팀이 상용 백금 촉매(Pt/C)보다 더 우수한 성능과 안정성을 보여준 새로운 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER) 촉매를 개발했다.

우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소인 수소는 미래 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 친환경 에너지 자원으로써 현재 대부분의 수소는 화석에너지(석유, 석탄, 천연가스 등)를 이용해 제조해 환경적인 면에서 많은 제약이 있다.

최근에는 물의 전기분해를 통한 수소 생산이 주목받고 있으며 이 과정은 수소발생반응이 가장 중요한 과정으로 여겨지고 있다.

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특히 실제 촉매로 활용되기 위해서는 우수한 효율 및 내구성과 더불어 가격 경쟁력이 요구되고 있으며, 효율적인 수소발생반응을 위해서는 양성자 환원을 위한 낮은 과전압과 빠른 반응(낮은 Tafel slope 값)이 필수 조건으로 이를 위해 백금(Pt) 촉매가 가장 많이 사용되고 있다.

하지만 백금 촉매는 가격이 비싸고 안정성이 떨어진다는 큰 단점이 있으며, 이에 수소 제조의 상용화를 위해서는 백금 함량은 낮으면서도 우수한 촉매 활성과 내구성을 동시에 만족하는 촉매가 필요한 가운데 연구팀은 촉매 활성 및 안정성을 동시에 높이기 위해 백금 나노입자의 담지체에 집중했다.

연구팀은 우선 인이 도핑된 그래피틱 나노플레이트를 제조한 후 간단한 활성화 공정으로 비표면적의 확대를 도모하여 이 지지체에 백금을 담지 시켜 새로운 촉매(Pt/A_PGnP)를 제조했다.

제조된 촉매는 낮은 백금 함량(12.75%)에도 불구하고, Pt/C(백금 함량: 20%)와 비교해 비슷한 과전압과 더 낮은 Tafel slope 값과 더불어 Pt/C보다 더 뛰어난 안정성까지 보인 것으로 나타났다.

교신저자인 전인엽 교수는 "헤테로(P) 원자 도핑 및 활성화 공정으로 제조한 새로운 촉매는 상용 백금 촉매보다 더 높은 촉매 활성과 안정성을 보여줬다"며 "이 촉매는 우수한 성능과 더불어 저렴한 가격과 대량 생산 가능 등의 장점으로 상업화 가능성이 매우 크다"고 설명했다.

한편 이번 연구는 국제전문학술지 ‘Materials Today Sustainability (IF: 7.8)’에 게재됐으며 화학공학과 김민희 대학원생이 제1저자, 윤서정 대학원생이 공동저자로 참여했다.