표면 재구성 전략을 이용한 저렴한 수소 연료 생산

수소 발생 반응(HER)은 청정 수소 연료를 생산할 수 있는 놀라운 공정으로, 기후 변화 위기에 대한 해결책의 잠재적인 부분입니다. 문제는 이 반응을 실험실 실험에서 대규모 상업 생산으로 확장하는 동시에 비용을 절감하는 것입니다.

해당 연구 결과는 2025년 4월 3일 Advanced Energy Material 에 게재되었습니다.

도호쿠 대학의 연구진은 우수한 HER 성능을 찾는 과정에서 표면 재구성 경로를 통해 HER 반응을 가속화하는 내구성 있는 비귀금속 기반 음극을 생산할 수 있음을 입증했습니다.

이 제품은 300시간 이상 성능을 유지할 수 있으며, 미국 에너지부의 2026년 수소 생산 목표( H2-1 당 kg당 2.00달러)에 매우 근접한 비용으로 계산됩니다. 이는 상업용 PEM 응용 분야를 위한 완전히 새롭고 고효율의 비귀금속 기반 양극의 합리적인 설계를 위한 길을 열어줄 수 있으며, 궁극적으로 실험실에서 공장까지의 격차를 메우는 데 도움 이 될 것입니다.

본 연구에서는 본질적으로 비효율적이고 느린 HER을 개선하기 위해 전이 금속 인화물(TMP)을 활용했습니다. HER의 효율을 향상시키는 이 유망한 촉매는 내구성이 뛰어나고 비용 효율적인 비귀금속입니다.

그러나 일반적으로 귀금속이 사용되기 때문에 연구자들은 귀금속이 아닌 금속에 대한 지식 격차가 존재하고 이를 메워야 한다는 것을 인식했습니다.

연구팀은 F 변형 CoP를 제조하고, 연산 X선 흡수 분광법(XAS)과 라만 측정을 사용하여 표면 재구성 및 실제 활성 부위와 같은 측면을 조사했습니다.

기본적으로 CoP 1-x 격자에 F를 추가하면 표면에 P-공석 사이트가 형성되어 HER을 가속화할 수 있는 활성 사이트가 더 많아집니다.

"이 재구성된 코발트(Co)는 활성도가 높고 산성 조건에서 작동하며 300시간 이상 약 76W의 출력을 유지할 수 있습니다."라고 헹 리우(WPI-AIMR)는 말했습니다. "저희는 연료 생산을 위한 경제적인 방법에 가까워지고 있습니다. 이 방법을 사용할 경우 계산된 비용은 H₂ -1 kg당 2.17달러 로, 2026년 현재 생산 목표치보다 17센트에 불과합니다."

연구진은 이 F 변형 CoP 음극의 표면을 재구축했을 때 활성이 향상된다는 것을 발견했습니다.

이 실험은 단지 3개의 전극을 갖춘 실험실 규모의 실험 장치에서 설정을 테스트하는 것이 아니라, 그 결과를 상업용 규모의 PEM 전해조로 확장합니다.

이러한 결과는 HER 촉매 연구에 있어서 중요한 진전이며, 다른 비귀금속 기반 음극의 합리적 설계를 위한 기초가 될 수 있습니다.

"우리는 연구가 일상생활에 적용될 수 있도록 하는 최종 목표를 항상 고민하고 있습니다. 이러한 발전을 통해 상업용 PEM 응용 분야에 대한 더욱 현실적인 옵션을 설계하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있게 되었습니다."라고 Liu는 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250425113755.htm