화학공학과 김정규 교수 연구팀,

그린 수소생산을 위한 친환경 전이금속계 촉매 전극 소재기술 개발

[사진] 김정규 교수

성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학과 김정규 교수 연구팀은 전남대 신소재공학부 심욱 교수 연구팀, ㈜닐사이언스와 함께 그린 수소생산을 위한 친환경 전이금속계 촉매 전극 소재기술을 개발하고, 최근 관련 연구성과를 두 차례 발표했다.

[연구그림 1] 산소수소 발생 반응 다기능성 친환경 수소 생산 촉매 전극 소재 개발

먼저 산업 폐수의 구성원인 요소와 같은 폐질소를 활용하여 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 크게 개선하는 연구로, 철(Fe)과 저마늄(Ge)으로 구성된 금속산화물 촉매 전극 소재를 통해 기존의 수전해 수소생산을 위한 산화 반응보다 더 적은 에너지로 폐질소 성분을 분해함과 동시에 청정 수소를 생산하는 결과를 보고했다. 이론적으로 수전해 요구 전압(1.23V)보다 매우 적은 요구 전압(0.37V)에서 구동하므로 효율적으로 수소를 생산할 수 있으며, 동시에 산업 폐수를 처리할 수 있어 미래 폐수 자원으로 활용이 기대된다.

[연구그림 2] 질소화학물 저감을 통한 친환경 수소 생산 촉매 전극 소재 개발

나아가 연구팀은 전기화학적 물 분해를 통한 그린 수소생산에 필수적인 산소 발생 반응과 수소 발생 반응에 동시 적용하여 전체 수전해 시스템을 구동하는 연구로, 질소(N)와 인(P)이 풍부하게 도입된 탄소계 소재에 전이금속계 소재인 니켈 포스파이드를 담지하여 다기능성 신규 촉매 전극 소재를 개발하고 이를 통해 낮은 구동 전압(1.57V at 10mA/cm2)성능과 2V 전압에서 500mA/cm2 전류밀도 성능 등 우수한 수전해 수소 발생 연구 성과를 보고했다. 이는 폐수를 활용한 수전해 및 양쪽 반응에 동시 적용 가능한 수전해 기술을 통해 다채로운 시각으로 친환경 수소생산 기술의 산업화 가능성을 보여준 것으로, 앞으로 다가올 수소 산업에 적용한다면 환경 문제가 대두되는 사회에 실질적으로 기여할 수 있는 연구로 확장 가능성이 높다.

본 연구성과는 각각 2021년 11월 1일 환경 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘Environmental Science: Nano’와 2021년 12월 27일 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ 저널에 모두 표지논문으로 발표되었다.

* 논문1 : Boosting eco-friendly hydrogen generation by urea-assisted water electrolysis using M2GeO4 (M = Fe, Co) as an active electrocatalyst (저널: Environmental Science: Nano, DOI: 10.1039/D1EN00529D)

* 논문2 : Anchoring of Ni12P5 Microbricks in Nitrogen- and Phosphorus-Enriched Carbon Frameworks: Engineering Bifunctional Active Sites for Efficient Water-Splitting Systems (저널: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c06514)