윤석민 교수(왼쪽)와 김진호 연구원(석사). (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 자연과학대학 화학과 윤석민 교수 연구팀은 값비싼 백금(Pt)보다 효율적인 물 전기분해 반응이 가능한 레늄 금속 기반 나노 촉매(Pt-Ni@Re) 개발에 성공했다.

이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 엘스비어에서 발행하는 촉매 분야 최상위급 SCI 학술지인 '어플라이드 카탈리시스 B: 환경 및 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)'(IF: 24.319, JCR 랭킹 상위 0.9%)에 게재됐다.

청정한 그린수소를 얻기 위해 산업에서 가장 널리 쓰이는 알칼린 전해조에서 효율적인 물 분해를 통한 수소 생산력은 매우 중요하다. 하지만 수소 공급원인 수소 이온(H+)이 상대적으로 부족한 알칼린 전해조에서 빠른 반응으로 수소를 발생하는 것은 시급히 해결해야 하는 과제이다.

경상국립대 윤석민 교수 연구팀은 이러한 알칼린 전해조에서 레늄(Re)에 미량의 백금(Pt)과 니켈(Ni)을 각각 5wt% 도핑한 레늄 기반 나노촉매클러스터를 합성해 Pt 금속 촉매보다 물 분해에서 낮은 과전압과 빠른 반응 속도를 달성했다.

특히 주목할 점은 이 새로운 촉매가 백금 단가의 약 3%에 불과한 레늄 금속을 기반으로 하고 있다는 것이다. 이는 수소 생산 비용을 현저히 줄일 수 있는 잠재력을 지니고 있다.

또한, 이 촉매는 5A/cm2에 가까운 높은 전류밀도에서도 안정적으로 수전해를 유지하는 뛰어난 내구성을 보여줬다. 이는 대규모 그린수소 생산을 위한 지속 가능한 방법을 제공한다.

연구팀은 경희대 화학과 양지은 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이 촉매가 1.4볼트의 낮은 과전압에서도 효율적으로 물을 분해할 수 있음을 입증했는데, 이는 에너지적 측면에서도 큰 이점을 가진다.

더욱이 울산대 정재훈 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 Re 기반 촉매가 소량의 타 전이금속이 도핑됐을 때 Pt보다도 효율적으로 전기화학적 물 분해를 시킬 수 있다는 메커니즘을 규명했다.

이러한 특성 덕분에 이 연구는 산업적 응용 가능성이 매우 높으며, 수소 에너지 분야에서의 새로운 변혁을 가져올 것으로 예상된다. 연구진의 혁신적인 발견은 수소 생산의 비용 효율성과 지속 가능성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖추고 있어, 그린수소의 대량 생산 및 활용에 중대한 전환점이 될 것으로 기대된다.

한편, 제1저자인 경상국립대 기초과학연구소 소속 김진호 연구원은 윤석민 교수 연구팀에서 학부 과정부터 연구를 훌륭히 수행해 레늄 기반 나노촉매 합성과 레늄의 전기화학적 특성 분석, 레늄 기반 나노 촉매에 의한 알칼리 수용액에서 효율적인 물 전기분해의 원리를 실험적으로 규명하는데 주요한 역할을 했다.