전북대학교 유동진 교수팀(자연과학대학 생명과학과 및 대학원 에너지저장·변환공학과)이 친환경으로 수소를 생산할 수 있는 물 분해 장치와 미래 에너지 저장 장치의 배터리에 활용될 고효율 촉매를 개발해 세계 학계가 주목하고 있다.

유 교수팀은 질소가 도핑된 그래핀 캡슐화 FeCoMoS 기반의 신규 나노입자 개발을 통해 물 분해 장치 및 아연공기(zinc-air) 배터리에 활용 가능한 연구 논문을 발표했다. 

이번 연구 결과는 촉매 연구 분야에서 세계 최고 학술지인 'Applied Catalysis B: Environmental' (IF=16.683, Rank=0.94%)의 8월 3일자 온라인 판에 게재됐다.

재생 가능한 녹색에너지 저장 및 변환 기술은 급증하는 에너지 수요 및 환경오염 문제로 인해 주목을 받고 있는 차세대 신재생에너지 산업에 필수적으로 활용되는 핵심기술이다. 

최근 과학계와 산업계에서는 물 분해를 통해 얻는 수소 생산기술 및 금속-공기 배터리를 위한 높은 활성화와 내구성 및 효율적인 비용을 갖는 새로운 소재에 대한 수요가 급증하고 있다.

이번 연구 결과물을 활용한 물 분해 장치는 친환경 수소연료전지의 수소생산을 위한 가장 유망한 핵심기술이며, zinc-air 배터리는 높은 에너지효율과 뛰어난 장기간 안정성으로 인해 충전식 에너지저장 시스템에서 유망한 후보 장치에 속한다.

이 연구는 간편하고 비용이 효율적인 단일단계의 열수공정(hydrothermal process)을 통해 질소 도핑된 그래핀 위에 캡슐화된 계층적 철/코발트/황화몰리브덴(FeCoMoS@NG) 나노플라워 형태의 합리적인 설계 및 제조를 위한 새로운 전략을 제시했고, 그 결과를 입증했다. 

계층적 나노구조, 더 큰 비표면적 및 독점적인 다공성 네트워크로 인해 최적화된 FeCoMoS@NG는 훌륭한 촉매활성을 보였다.

이 소재는 수소생산을 위한 물 분해 장치에 적용했을 때, 10 mA cm-2에서 1.57 V의 전지 전압에 도달했다. 게다가 zinc-air 배터리 기반 FeCoMoS@NG는 118 mW cm-2에 높은 전력밀도를 보여주는 등 새로운 연구방향을 제시했다.

유동진 교수는“이 연구가 에너지 변환 및 저장 응용 분야를 위해 높은 활성과 내구성을 갖는 다기능성 촉매를 설계하기 위한 새로운 연구 경로를 제공할 것이다"며, "최근 정부가 추진하는 그린뉴딜 정책의 실현을 위해 탄소배출을 줄이는 그린수소 생산의 활성화에 기여할 것”이라고 말했다. 

한편, 이번 연구는 연료전지시스템 전주기R&D 고급트랙 인력양성사업단 유동진 단장과 라마크리샨 산무간 박사가 주저자로 연구를 수행했으며, 산업통상자원부의 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자지원사업 지원을 받았다.

/장은성 기자