화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀(제1저자 Clament Sagaya Selvam 박사 및 공동저자 최관현 박사)은 에너지과학과 윤원섭 교수 및 서울대학교 이원보 교수 연구진과 함께, 수전해 기술의 효율을 결정하는 산소발생반응 촉매의 표면과 전해질과의 상호작용 기초 원리를 규명하고, 이를 기반으로 높은 효율과 구동 안정성을 보이는 고성능 수전해 촉매를 개발하는데 성공하였고, 이를 에너지 연구분야의 권위지인 ACS Energy Letters (Impact Factor: 23.101)에 표지논문으로 게재했다.

우수한 친환경 청정에너지 공정으로 각광받는 수전해 기술은 상대적으로 용이하게 진행되는 수소발생 반응과는 달리, 그의 짝반응으로 일어나는 산소발생 반응이 높은 에너지 부하를 요구하면서도 촉매활성의 저하를 빠르게 유도함으로써, 결과적으로 수전해 기술의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

연구진은 정교한 나노구조를 가진 코발트-황 화합물의 소재가 장시간 산소발생 반응의 구동 특성을 제공해 줄 수 있는 우수한 전도성 기재임을 확인하였고, 여기에 니켈옥시하이드록사이드 (NiOOH) 층을 전기도금법을 이용하여 얇게 코팅함으로써, 가혹한 반응 조건 하에서도 촉매 표면의 용출을 방지시켜 반응효율과 안정성을 비약적으로 향상시키는 결과를 확보하였다. 또한, 이러한 촉매의 내구성과 효율의 향상이 전해질 내에 1 ppm 미만으로 극미량 존재하는 철 이온의 촉매 표면과의 동적 상호작용을 통해 자발적으로 원소도핑이 일어나는 결과에서 유래함을 세계 최초로 규명하였다.

유필진 교수는 이번에 개발된 기술이 “고효율 산소발생 반응용 촉매소재 설계의 범주를 넓힐 것이며, 향후 다양한 금속산화물 기반 촉매소재 개발을 통한 친환경 에너지 산업발전에도 기여할 것”으로 설명하였다. 유필진 교수 연구진은 고성능 수전해 촉매의 설계에 있어 올해 5월에 게재된 Energy & Environmental Science (IF: 38.532)에 이어 연달아 우수 연구성과를 창출하였다.

본 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업(2018M3D1A1058624), 중견연구자사업(2020R1A2B5B02002483) 및 기초연구실(2021R1A4A1024129) 사업의 지원으로 수행되었으며, 12월 10일자로 ACS Energy Letters 지에 게재되었다.

논문 1 : “Unveiling the Impact of Fe Incorporation on Intrinsic Performance of Reconstructed Water Oxidation Electrocatalyst”, ACS Energy Letters, 6, 4345−4354 (2021).
논문 2 : “Modularly aromatic-knit graphitizable phenolic network as a tailored platform for electrochemical applications”, Energy & Environmental Science, 14, 3203–3215 (2021).