한국공학대 박지은 교수팀, 니켈-철 기반의 고성능 음이온 교환 막 수전해 용 산소 발생 전극 개발

[한국대학신문 박인규 기자] 한국공학대학교(총장 황수성, 이하 한국공학대) 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 차세대 그린 수소 생산 장치인 음이온 교환막 수전해 (Anion-exchange membrane water electrolysis, AEMWE) 용 고성능 니켈-철 기반의 산소 발생 전극을 개발했다.

AEMWE는 물을 전기분해하여 이산화탄소 배출 없이 청정한 그린 수소를 생산하는 장치이다. 비싼 귀금속 촉매를 이용하는 앙이온 교환막 수전해와 달리, AEMWE는 값싸고 풍부한 니켈-철과 같은 비귀금속 촉매를 사용할 수 있기 때문에 그린 수소 생산 단가를 낮출 수 있어, 차세대 그린수소 생산 장치로 꼽히고 있다. 하지만, AEMWE 장치는 다른 장치들에 비해 기술적 성숙도가 낮아 현재까지는 성능을 개선하고자 하는 연구들이 진행 중에 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전극 내 니켈-철 촉매의 상에 따른 산소 발생 반응 활성 및 AEMWE 성능 변화를 관찰했다. 이전 연구에서 개발한 일체형 전극을 기반으로 다양한 열처리 조건을 통해 니켈-철 촉매의 상을 변화시켜 최적의 니켈-철 촉매층을 개발했다.
실험 결과, AEMWE 단위전지 성능이 2.05 V에서 8 A/cm2로, 높은 수준을 기록했으며, 다른 참고문헌들과도 비교했을 때, 높은 수준의 성능을 확인했다. 또한, 5-layer 스택 평가에서도 높은 성능을 유지하였고, 내구성 평가에서도 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다.

박지은 교수는“이번 성과로 친환경 그린 수소를 보다 경제적으로 생산할 수 있는 길이 열렸다”며, “향후 그린 수소 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국과학기술연구원 박성빈 박사(제1저자), 최호성 박사과정생(제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생(공저자), 이대현 학사과정생(공저자)이 공동으로 수행했다. 또한, 본 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 ‘알칼라인 수전해 기술개발’ 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는‘Unified anodes with different nickel–iron-based phases for durable AEM electrolyzers achieving high performance of 8000 mA cm−2 at 2.05 V’라는 제목으로, 화학공학 분야 권위 있는 국제 학술지 〈Journal of Materials Chemistry A〉 (IF=9.5)에 9월 22일자로 온라인 게재됐다.

☞논문보기  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta05065k