국립공주대학교(총장 임경호)는 지속 가능한 친환경 탄화목재 기반한 저가 촉매(Pt 대체) 적용 수전해 전극을 성공적으로 개발하였고 1.5V 건전지나 친환경 태양광 에너지를 적용하여 손쉽고 대량으로 친환경 그린수소 생산을 가능케 하였다.

그린수소는 친환경적이며 연소 후에도 탄소 배출이 없는 청정에너지로, 차세대 에너지원으로 기대되고 있지만 수전해를 통해 물에서 수소와 산소를 생산해내는 과정에 쓰이는 귀금속 촉매들은 매장량이 적고 매우 비싸 대규모 그린수소 생산에는 한계가 있다. 또한, 수전해를 사용하기 위해서는 수소와 산소를 각각 생산하는 두 가지 촉매 전극이 필요하다.

국립공주대학교 송성호 교수 연구팀은 충북대학교 이동주 교수 연구팀과 친환경 탄화 목재에 전이금속계 소재인 저렴한 니켈/수산화니켈(Ni/Ni(OH)2)을 손쉽게 전기 증착하여 산소 발생 반응(OER; Oxygen Evolution Reaction)과 수소 발생 반응 (HER: Hydrogen Evolution Reation)에 동시 적용하여 전체 수전해 시스템을 구동하는 다(多)기능성 신규 촉매 전극 소재를 개발하였다.

수많은 물관, 체관 및 기공을 지닌 3차원 계층 구조를 지닌 나무를 탄화공정을 통해 우수한 전기전도도를 부여하여 이온, 전자, 생성된 Gas를 용이하게 이동시킬 수 있는 Tri-pathway를 위한 기판으로 사용하였다. 또한 전기 증착 시간을 조절을 통한 촉매 구조를 조절하여 산소 발생(α-Ni(OH)2 촉매)과 수소 발생(β-Ni(OH)2 촉매)에 각각 유리한 3차원 탄화 목재 기반의 Ni/Ni(OH)2 촉매 전극을 제작하고 1.5 V 건전지나 친환경 태양광 에너지를 이용해 손쉽고 대량으로 친환경 수소 생산에 쓰일 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 지속가능하고 친환경 소재인 나무를 기반으로 수전해에서 사용되는 고가의 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 새로운 촉매 합성 방법을 제시하였고 양쪽 반응 (HER & OER)에 동시 적용 가능한 수전해 촉매 전극을 개발하여 앞으로 수소 생산에 적용한다면 환경 문제가 대두되는 사회에 실질적으로 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

이번 연구는 재료·화학 분야의 권위 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A (Impact factor: 11.9, Energy & Fuel 분야 상위 8.8%)’에 게재됐다. (논문명: Green and Sustainable Bifunctional Carbonized Wood Electrodes Decorated with Controlled Nickel/α(β)-Nickel(II) Hydroxide to Boost Overall Water Splitting)