(왼쪽부터)이승화 교수, 장영은 석사과정생.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 글로컬첨단과학기술대학(GAST) 이승화 교수(에너지화학공학 전공) 연구팀이 전기화학 반응 중 불순물 유도 계면 재구성 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 산소발생반응(OER) 고활성 전극 촉매 설계 원리를 제시했다고 4일 밝혔다.

이승화 교수 연구팀은 친환경 수소생산을 위한 전기화학적 물 분해 전극 촉매 및 시스템에 대한 연구를 수행하고 있으며, 연구팀에 따르면 전기화학적 물 분해(수전해) 방식은 수소 생산 과정 중 오염물 배출이 없기 때문에 ‘그린 수소’라고 불리며, 미래 수소 경제 사회의 핵심 요소기술이 될 것으로 전망된다.

수전해 시스템에서 산소 발생 반응은 에너지 장벽이 큰 반응으로, 고효율 촉매의 개발이 필수적이다. 특히 니켈(Ni) 기반 셀레늄화합물(NiSe, NiFeSe)은 전기전도성이 우수하고 반응 표면적이 넓어 OER 전극 후보로 주목받아왔지만, 실제 반응 환경에서 셀레늄의 용출이 활발하게 일어나며 그로 인한 재구성 과정이 촉매 활성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

연구팀의 연구에서는 실시간 라만 분광학 분석(in-situ Raman spectroscopy) 기법을 활용해 전기화학적 재구성 반응 중 촉매 표면에서 형성되는 Se–Se 결합과 Fe³⁺의 도입에 따른 격자 구조 변화를 처음으로 관찰했으며, 그동안 셀레늄은 재구성 과정 중 용출로 인해 거의 모두 사라지는 것으로 알려져 왔으나 이번 실시간 분석을 통해 표면~표면 및 영역에 미량 존재하며 재배열 되는 것을 밝혀냈다.

특히 Fe과 Se의 용출-재흡착 균형을 조절해서 특정 활성사이트 형성을 유도하는 데 성공해 실시간 라만 분광학 분석을 통해 확인된 분석결과의 전극 스케일-업 가능성을 실제로 확인했다.

이번 연구는 셀레늄이 포함된 다성분계 촉매의 계면 설계 전략에 대한 기초 원리를 제시한 연구로서, 향후 고활성 수전해 촉매의 체계적 설계에 중요한 시사점을 제공한다는 점에서 의의가 크다고 평가된다.

이승화 교수 연구실에서는 ‘in situ 분석 기법’ 기반의 수전해 촉매 연구를 활발히 수행하고 있으며, 이번 연구는 장영은 석사과정생이 제1저자로 주도해 국제저명 학술지 ‘Nano Letters(IF: 9.1)에 게재됐다(제목: ’Impurity-Driven Interfacial Reconstruction Unlocks Highly Active Sites in Ni–Fe Selenides for Water Oxidation‘).

한편 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업 기본연구와 국립창원대 질적우수논문 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.