충남대 교수팀, 고엔트로피 나노합금 촉매 개발…기술상용화 가능성 높여

최호석 교수팀, 세계 최고 수준 산소발생반응 성능 달성
15분 저온 친환경 공정으로 고엔트로피 나노합금 합성 성공
차세대 그린수소 생산 기술 기대

충남대 최호석 교수 연구팀./충남대

충남대 교수팀이 고엔트로피 나노합금 촉매 개발에 성공하며 차세대 그린수소 생산 기술 상용화 가능성을 높였다.

13일 충남대에 따르면 응용화학공학과 최호석 교수 연구팀이 세계 최초로 대기압 플라즈마-이온성 액체 환원법을 이용해 5원계 고엔트로피 나노합금(High-Entropy Nanoalloy, HENA) 촉매를 합성하고, 수전해 산소발생반응(OER)에서 세계 최고 수준의 촉매 성능을 달성하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 재료화학 분야 국제 저명 학술지인 'Journal of Materials Chemistry A'에 최근 게재됐다.

이번 연구는 충남대 올렉시 오멜리아노비치(Oleksii Omelianovych) 연구교수와 응우옌 치 린 티(Chi Linh Thi Nguyen) 석사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 최호석 교수와 류드밀라 라리나(Liudmila Larina) 연구교수가 공동 교신저자로 참여했다. 또 아담 샤니엘(Adam Szaniel) 박사과정과 응우옌 반또안(Van-Toan Nguyen) 연구교수가 공동 연구자로 참여했다.

수전해를 이용한 친환경 수소 생산은 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있지만, 양극에서 일어나는 산소발생반응(OER)은 높은 과전위를 요구하고 반응 속도가 느려 전체 시스템의 에너지 효율을 떨어뜨리는 한계가 있었다. 또 기존의 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 기반 촉매는 높은 가격과 희소성, 장기 안정성 문제로 인해 이를 대체할 고성능 촉매 개발이 요구돼 왔다.

이에 연구팀은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 로듐(Rh), 백금(Pt) 등 5가지 금속 원소를 단일 나노입자 내에 균일하게 혼합한 고엔트로피 나노합금을 세계 최초로 대기압 플라즈마-이온성 액체 환원법을 통해 합성했다.

기존 고엔트로피 합금이 벌크나 박막 형태에 머물렀던 것과 달리, 단일 나노입자 수준에서 다원소를 균일하게 분산시키는 합성 기술을 구현했다.

특히 연구팀이 개발한 합성법은 단 15분의 저온 공정으로 균일한 단일상 FCC 구조의 고엔트로피 나노합금을 제조할 수 있으며, 다원소 간 시너지 효과를 통해 산소발생반응에서 150mV의 낮은 과전위를 달성했다. 이는 상용 RuO₂ 촉매보다 190mV 낮은 수준으로 세계 최고 수준의 성능이다. 또 600분 연속 구동 시험에서도 초기 전류의 80.01%를 유지하며 우수한 내구성을 입증했다.

연구팀은 이를 통해 고성능과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 수전해 촉매 설계 전략을 제시했다.

이번 연구는 새로운 촉매를 개발하는 데 그치지 않고 고엔트로피 나노합금의 합성 방법론을 체계화하고, 구조와 촉매 성능 간 상관관계를 원자 수준에서 규명했다는 점에서 학술적 의미가 크다.

또 다양한 조성의 고엔트로피 나노합금 촉매 개발에도 적용 가능한 범용 합성 전략을 제시해 귀금속 사용량을 줄이면서도 고성능을 구현할 수 있는 차세대 촉매 개발에 기여할 것으로 기대된다.

최호석 교수는 "이번 연구는 고엔트로피 나노합금이라는 새로운 촉매 플랫폼을 통해 수전해 기술 상용화 가능성을 한층 높인 성과"라며 "앞으로 음이온 교환막(AEM) 수전해 시스템과의 통합 연구를 통해 실용화를 추진할 계획"이라고 말했다.

한편, 최호석 교수팀은 플라즈마 기반 나노합금 합성 원천기술을 바탕으로 차세대 그린수소 생산을 위한 고성능·고내구성 수전해 촉매 개발 연구를 지속적으로 수행하고 있다.