서울대 재료공학부 한정우 교수(제1저자: 정현정·이예찬 연구원) 연구팀은 HD한국조선해양(제1저자: 송지현 연구원), 한국에너지공과대학교 김우열 교수(제1저자: 조규리 연구원) 연구팀과의 공동연구를 통해 바닷물 환경에서도 안정적으로 작동하는 산소 발생반응(OER) 및 수소 발생반응(HER) 촉매를 계산화학 기반으로 설계·검증하였다.
첫 번째 연구에서는 NiFe 기반 OER 촉매에 다양한 전이금속 도판트를 계산화학적으로 스크리닝하여 활성, 선택성, 내식성을 향상시킬 최적 도판트를 도출하였으며, 이를 바탕으로 합성된 촉매는 염소 이온 조건에서 기존 대비 향상된 OER 성능과 내구성을 보였다.
이 연구는 ACS Energy Letters(IF=18.9)에 게재되었으며 Supplementary Cover로 선정되었다.
두 번째 연구에서는 친산소성(oxophilic) 도판트를 활용한 Ni–V HER 촉매를 설계하여 물 분해 단계를 촉진하고, 바닷물 환경에서 염소 흡착과 금속 수산화물 침전을 억제함으로써 백금보다 낮은 과전압과 높은 장기 안정성을 확보하였다.
이 결과는 Advanced Functional Materials(IF=19.0)에 게재되었으며 Inside Front Cover로 선정되었다.
두 연구는 계산 설계–합성–전기화학 평가로 이어지는 산학 공동연구 체계를 기반으로 수행되었으며, 바닷물 수전해에 필요한 고내구성·고활성 저비용 촉매 개발 가능성을 동시에 제시하는 성과를 거두었다. 또한 연구팀은 이번 계산화학 기반 설계 전략을 바탕으로, 현재 연료전지 촉매 개발과 암모니아 내질화 코팅 기술로 연구 범위를 확장해 나가고 있다.
▲ 계산화학 기반 스크리닝 개념도.
(왼쪽) 염수 환경에서 OER 활성, OER/ClER 선택성, 내식성을 통합 평가해 Sc(스칸듐)이 첨가된
NiFeOOH(니켈·철 수산화물)이 최적 촉매임을 규명
(오른쪽) 바닷물 환경에서 HER 활성, 도판트 응집 안정성, 염소 음이온 경쟁흡착, 금속수화물 침전 저항성을
통합 평가해 Ni–V(니켈–바나듐)조합이 최적 촉매임을 규명