수소 연료, 절반 가격으로? 과학자들이 획기적인 촉매제를 공개

새로운 붕소 도핑 코발트 인화물 촉매는 수소 생산을 더욱 저렴하고 효율적으로 만들어, 첨단 소재보다 성능이 뛰어나고 100시간 이상 작동하여 더욱 친환경적이고 대규모 수소 에너지의 길을 열었습니다. 출처: Shutterstock

온실가스 배출을 줄이고 기후 변화에 대응하기 위해서는 깨끗하고 재생 가능한 에너지원이 절실히 필요합니다. 수소는 탄소 함량이 0이고 휘발유보다 무게 기준으로 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 청정 에너지원 중 하나입니다. 수소를 생산하는 유망한 방법 중 하나는 전기화학적 물 분해로, 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 공정입니다. 재생 에너지원과 결합하면 이 방법은 지속 가능한 수소 생산 방식을 제공하며 온실가스 감축에도 기여할 수 있습니다.

안타깝게도 이 방법을 이용한 대량 수소 생산은 고가의 희토류 금속 촉매가 필요하기 때문에 현재로서는 실현 불가능합니다. 따라서 연구자들은 다양한 전이 금속 및 화합물로 만들어진 것과 같은 더 저렴한 전기 촉매를 연구하고 있습니다. 이 중 전이 금속 인화물(TMP)은 유리한 특성으로 인해 수소 발생 반응(HER)으로 알려진 수소 생성 공정의 촉매로서 상당한 주목을 받고 있습니다. 그러나 산소 발생 반응(OER)에서는 성능이 떨어져 전체 효율을 저하시킵니다. 이전 연구에서는 TMP에 붕소(B)를 ​​도핑하면 HER 및 OER 성능을 모두 향상시킬 수 있다고 제안했지만, 지금까지 이러한 소재를 만드는 것은 어려운 과제였습니다.

최근 한양대학교 ERICA캠퍼스의 차둔찬 씨를 포함한 이승현 교수 연구팀은 붕소 도핑된 코발트 인화물(CoP) 나노시트를 이용한 새로운 유형의 가변형 전기 촉매를 개발하는 획기적인 성과를 달성했습니다. 이 교수는 "금속-유기 골격체를 이용하여 붕소 도핑과 인 함량을 조절하여 코발트 인화물 기반 나노소재를 성공적으로 개발했습니다. 이 소재는 기존 전기 촉매보다 성능이 우수하고 비용이 저렴하여 대규모 수소 생산에 적합합니다."라고 설명했습니다. 이 연구는 2025년 3월 19일 Small 저널에 게재되었습니다.

연구진은 코발트(Co) 기반 금속 유기 골격체(MOF)를 이용하여 이러한 물질을 개발하는 혁신적인 전략을 사용했습니다. 차 씨는 "MOF는 필요한 조성과 구조를 가진 나노물질을 설계하고 합성하는 데 탁월한 전구체입니다."라고 언급했습니다. 먼저, 니켈 폼(NF) 위에 Co-MOF를 성장시켰습니다. 그런 다음, 이 물질을 수소화붕소나트륨(NaBH₄)과 함께 합성 후 변형(PSM) 반응을 거쳐 B를 합성했습니다. 이어서 차아인산나트륨(NaH₂PO₂)의 양을 달리하여 인산화 공정을 진행하여 세 가지 다른 B-도핑된 코발트 인화물 나노시트(B-CoP@NC/NF) 샘플을 형성했습니다.

실험 결과, 세 가지 샘플 모두 넓은 표면적과 메조포러스 구조를 가지고 있는 것으로 나타났는데, 이는 전기촉매 활성을 향상시키는 핵심 요소입니다. 결과적으로 세 가지 샘플 모두 우수한 OER 및 HER 성능을 나타냈으며, 특히 0.5g의 NaH₂PO₂(B-CoP0.5@NC/NF)를 사용하여 제조한 샘플이 가장 우수한 결과를 보였습니다. 흥미롭게도, 이 샘플은 OER 및 HER에서 각각 248mV와 95mV의 과전압을 나타냈는데, 이는 이전에 보고된 전기촉매보다 훨씬 낮은 수치입니다.

B-CoP0.5@NC/NF 전극을 사용하여 개발된 알칼리 전해조는 10 mA cm-2의 전류 밀도에서 1.59 V의 셀 전위를 보였으며, 이는 최근 출시된 많은 전해조보다 낮은 수치입니다. 또한, 50 mA cm-2 이상의 높은 전류 밀도에서는 최첨단 RuO2/NF(+) 및 20% Pt-C/NF(-) 전해조보다 우수한 성능을 나타냈으며, 100시간 이상 성능을 유지하는 장기 안정성을 보였습니다.

밀도 함수 이론(DFT) 계산은 이러한 결과를 뒷받침하고, B 도핑과 P 함량 조절의 역할을 명확히 밝혔습니다. 특히, B 도핑과 최적의 P 함량은 반응 중간체와의 효과적인 상호작용을 유도하여 탁월한 전기촉매 성능을 발휘했습니다.

이 교수는 "이번 연구 결과는 수소 생산 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 차세대 고효율 촉매를 설계하고 합성하는 데 청사진을 제공합니다."라고 말했습니다. "이는 대규모 친환경 수소 생산을 현실화하는 데 중요한 진전이며, 궁극적으로 전 세계 탄소 배출량 감축과 기후 변화 완화에 기여할 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250620231645.htm