Nanomaterials for Energy and Environment Laboratory (NEEL)

수소 및 고부가가치 물질 생성을 위한 

하이브리드 수전해 연구 동향 및 전망 제시

□ 심욱 교수 (수소에너지, 에너지공학부) 연구팀은 하이브리드 수전해 연구에 대한 최신 연구 동향 및 전망을 제시하였다. 수소 뿐만 아니라 기존 산소 발생 반응을 대체한 고부가가치 물질 생성까지 다양한 응용에 대한 연구를 소개한다.

□ 기존의 물 전기 분해 방법은 음극에서 수소 발생 반응을, 양극에서 산소 발생 반응을 일으켜야 하는데, 산소 발생 반응은 느린 4 전자 전달 경로를 거치기 때문에, 반응을 구동하기 위해 높은 전위가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 하이브리드 수전해 기술은 양극에서 기존 산소 발생 반응을 양극 산화 반응으로 대체하여 상대적으로 낮은 전위에서 고부가가치 화합물을 생성할 수 있다.

□ 본 연구 동향 보고에서는 하이브리드 수전해 기술의 장점에 대해 소개하며, 귀금속/비귀금속 기반의 전기 촉매의 최근 개발과 다양한 전해질에서 양극 반응 및 해당 활성에 대한 조사를 정리하여 보고하였다. 이 밖에도 하이브리드 수전해 성능에 영향을 미치는 전해질, 전해액 첨가제, 경쟁반응 억제전략의 연구 동향도 소개하며, 전통적인 수전해 방식을 뛰어 넘어 앞으로의 차세대 수전해 기술에 대한 전망을 제시하였다.

□ Hydrogen and Value-Added Products Yield from Hybrid Water Electrolysis: A Critical Review on Recent Developments

(https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113227)

□ Renewable and Sustainable Energy Reviews (2023년 2월 accepted, IF 16.799)

한국에너지공과대학교 연구진, 동백꽃 유래 다기능 촉매 및 슈퍼 커패시터 개발

(친환경적 촉매 소재 합성기술 개발) 

[에너지경제신문 박성준 기자] 한국에너지공과대학교 심욱 교수 연구팀은 자연에서 얻을 수 있는 동백꽃을 원료로 활용한 수전해 목적의 다기능 바이오 촉매 및 슈퍼 커패시터 개발에 성공했다고 29일 전했다.

촉매의 활성도를 증가시키기 위해서 많은 연구진들이 황 (Sulfur)를 촉매에 도핑하려는 연구가 많이 보고되고 있다. 이에 반해, 심욱 교수 연구팀은 인공적으로 황을 첨가하여 도핑하는 것이 아닌 동백꽃 자체적으로 함유된 황에 의해서 촉매의 전자전달성 및 내구성을 향상시킬 수 있다고 보고하였다.

본 연구에서는 동백꽃에 함유된 자체 황을 이용해 황 도핑 바이오매스 기반 전기 촉매를 개발하였고, 이는 수전해 및 슈퍼 커패시터 다기능 촉매로 사용 가능함이 입증되었다. 동백꽃에 함유된 고유의 황은 열처리시 실시간 자가 도핑을 촉진하여 촉매의 전하 전달 능력과 장기 내구성을 크게 향상시켰다.

수전해의 경우 10 mA/cm2에서 154 mV와 362 mV의 수소 및 산소 생산 반응 과전압을 보였다. 슈퍼 커패시터의 경우 1 M KOH 전해질에서 2 A/g에서 125.42 F/g의 비정전용량과 높은 주기 안정성을 보였다. 또한, 0 ~ 1.6 V의 넓은 전압 범위에서의 대칭형 하이브리드 슈퍼 커패시터 장치 구동 시 1600 W/kg의 전력 밀도에서 34.54 Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 나타내었다.

본 연구를 통한 바이오매스 원료 기반 촉매는 에너지 전환 및 저장 장치에 대한 좋은 잠재력을 지녔을 뿐만 아니라 폐기되는 바이오매스를 효율적으로 재활용할 수 있다는 가능성을 제시함으로써 소재 개발에 새로운 시각으로 접근할 수 있는 친환경적이며 미래지향적인 기술로 평가된다.

이번 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Carbon Energy (피인용지수 21.556)’에 게재되었다. 

출처: https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20230526010007068

태양광 흡수 스펙트럼을 확장시키는 광전기화학 촉매 개발

[에너지경제신문 박성준 기자] 심욱 교수 (한국에너지공과대학교, 닐사이언스 대표) 연구팀은 광범위한 태양광 스펙트럼을 흡수하고 전하 분리가 우수한 광전기화학 촉매 개발에 성공했다고 28일 전했다.

광범위한 태양광 스펙트럼을 효율적으로 사용하기 위해 가시광선 영역을 흡수할 수 있는 ZnFe₂O₄(ZFO)와 근적외선 광 흡수가 가능한 상향변환 나노입자 (UCNP)를 사용하여 새로운 이종접합 광촉매를 설계하고, 티타늄 산화물(TiO₂) 나노구조체에 드롭-캐스팅하여 새로운 광전극을 제작하였다.

TiO₂와 ZFO는 각각 자외선과 가시광선 흡수에 용이한 광촉매 물질로 사용되고 있으며, 두 물질의 이종접합을 통해 광전기화학 반응의 효율을 향상할 수 있다.

하지만 위 광촉매와 같이 널리 사용되는 광전극 물질들은 주로 자외선과 가시광선을 사용하여 태양광 스펙트럼의 약 48%를 사용할 수 있을 뿐, 그 외의 적외선 영역에 해당하는 약 52%는 광전기화학을 위한 에너지원으로 사용하기 어려운 단점이 있다.

이에 본 연구팀은 적외선 영역을 광전기화학 반응에 적용하기 위해 적외선을 흡수하여 높은 에너지의 파장을 방출하는 상향변환 나노입자 (UCNP)를 사용함으로써 광전기화학 시스템에 더욱 넓은 영역의 태양광 스펙트럼을 활용하였다.

UCNP-ZFO/TiO₂ 광전극은 단일 TiO₂ 광전극에 비해 3배 향상된 광전류 밀도와 4.1배 높은 광자-전류 효율을 보였고, TiO₂에 UCNP과 ZFO를 각각 별개로 이용하여 제작한 광전극에 비해 낮은 전하 이동 저항과 높은 전하 밀도를 나타내었다. 이는 TiO₂ 광양극에서 UCNP와 ZFO의 조합이 근적외선광과 가시광의 시너지 활용으로 인해 광전기화학적 성능을 크게 향상시켰음을 의미한다. 

광전기화학 시스템에 있어서 적외선은 낮은 에너지로 인해 활용이 어렵다는 단점을 UCNP 활용으로 극복하여 태양광의 사용 효율을 높였다.

본 연구를 통해 태양광의 흡수 스펙트럼을 확장하는 전략은 태양 에너지 변환 효율을 개선하고 광전기화학 응용 성능을 향상시켜 태양광-연료 변환 분야에서 고효율 응용이 가능함을 제시하였다.

이번 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (피인용지수 16.744)’에 게재되었다.

출처: https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20230427010007147

‘탄소-제로 암모니아 생산법’ 개발

□ 심욱 교수 (한국에너지공과대학교) 연구팀은 한미경 박사팀 (전남대)와의 공동 연구를 통해 광전기화학적으로 공기 중의 질소로부터 암모니아를 합성하는 새로운 개념의 촉매인 몰리브데늄황화물 나노입자/란탄계 산화물 (MoS2@La2Zr2O7) 복합혼성촉매를 개발하는데 성공하였다. 

□ 암모니아는 다양한 산업분야에 널리 사용되는 화학 물질로 최근에는 연료 전지를 위한 수소 운반체로 각광받고 있다. 산업 분야에 유용한 암모니아를 생산하는 전통적인 방식인 ‘하버-보슈법’은 인류가 사용하는 전체 에너지 중 1% 이상을 사용하고, 인류가 배출하는 전체 이산화탄소의 1~2%를 차지하는 등 환경파괴 원인 중 하나로 지목되어 왔다. 

□ 본 연구에서 개발한 광전기화학 촉매는 태양 에너지와 전기를 사용하는 광전기화학적 질소환원반응에서 기존 대비 2.25% 향상된 패러데이 효율과 10.4 μgh-1  cm2의 암모니아 생성 수율을 나타내었으며, 광전기화학 촉매의 활성을 개선하는 전략을 제시하였다.  

□ Synergistic Interaction of MoS2 Nanoflakes on La2Zr2O7 Nanofibers for Improving Photoelectrochemical Nitrogen Reduction (https://doi.org/10.1021/acsami.2c05653)

□ ACS Applied Materials & Interfaces (2022년 7월 11일, IF 10.383)

전기방사법을 활용한 전이금속 기반 이종 구조 촉매 개발 및 수전해 성능 향상

□ 심욱 교수 (한국에너지공과대학교) 연구팀은 조인선 교수팀 (아주대)와의 공동 연구를 통해 전체 물분해를 가속화하기 위한 코발트-니켈산화물의 이종 구조의 전자 상호 작용을 향상시키기 위한 황 보조 질소가 풍부한 탄소나노섬유를 제작하는데 성공하였다. 

□ 친환경 녹색 수소를 생산하는 경로로 인식되는 전기화학적 물분해 시스템의 효율적인 구축 전략은 전기 촉매의 선택에 의해 크게 좌우된다. 본 연구에서는 전기방사법을 기반으로 황과 질소가 풍부한 탄소나노섬유에 내장된 이종 구조의 코발트-니켈 산화물이 산소 및 수소 발생 반응을 활성화시킴으로써 10mA/cm2의 전류 밀도에서 낮은 산소발생반응 및 수소발생반응 과전위를 보였다. 또한 제작된 촉매는 전체 전기화학적 물 분해에서 이기능성 전기촉매로 작용함을 확인하였다.  

□ 단일 전기촉매에서 다중 활성 요소의 설계는 효율적이고 지속 가능한 물분해 시스템을 구축하기 위한 효과적인 접근 방식으로 기대된다. 

□ Sulphur Assisted Nitrogen-rich CNF for Improving Electronic Interactions in Co-NiO Heterostructures towards Accelerated Overall Water Splitting (https://doi.org/10.1002/admt.202200572)

□ Advanced Materials Technologies (2022년 8월 31일, IF 8.856)

한국에너지공과대학교 연구진, 高내식 알루미늄 합금 개발

(알루미늄 기반 재료 산업 활성 기대)

[에너지경제신문 박성준 기자] 한국에너지공과대학교 심욱 교수와 및 임재형 박사과정 연구팀은 높은 내식성을 가진 알루미늄 기반 합금의 개발에 성공했다고 16일 전했다.

알루미늄 합금은 저밀도, 기계적 고강도, 용이한 가공성으부분로 전자기기 제작과 같은 다양한 산업에 사용되고 있을 뿐 아니라 우수한 내식성으로 해수 속에서도 많이 사용되고 있다.특히 상업용 Al1070 물질은 알루미늄이 99% 이상인 합금으로 주로 파이프 형태로 만들어져 자동차 부품 및 고압 주조용 파이프 등으로 사용된다.

그러나 Al1070와 같은 알루미늄 합금은 공식부식의 형태로 국부적인 부식이 진행되기 때문에 균일부식이 진행되는 다른 합금보다 부식 속도가 빠르다는 단점이 있어 장기간 사용에 어려움이 있다.고내식성 합금은 해수 등으로 인해 발생하는 파이프의 부식으로 인한 교체 주기를 획기적으로 늘릴 수 있는 물질로, 본 연구에서는 상업적으로 사용되고 있는 Al1070 합금에 Mg 및 Zn을 소량 첨가하여 기존의 Al1070 합금보다 부식 전압 및 부식 전류를 크게 개선하였으며 부식에 대한 수명을 3.5배 증가시키는 데 성공하였다.

본 연구의 결과는 기존의 합금에 소량의 물질을 첨가하는 방법을 통해 내식성을 크게 향상할 수 있는 손쉬운 방법을 제시함으로써 미래 고 내식 합금 연구에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대한다. 

이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘Materials Advances’의 표지 논문으로 게재되었다.

출처: https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20230515010003702

심욱 교수 연구팀, 실험계획법을 통한 니켈 인화물의 합성 및 커패시턴스, 수소 생산 성능 향상 최적화

[에너지경제신문 박성준 기자] 한국에너지공과대학교 심욱 교수(닐사이언스 대표) 연구팀 (주저자 이동규, 임재형 박사과정생)은 고효율의 전기화학 반응 촉매를 설계하기 위해 실험계획법 중 하나인 다구치 방법 (Taguchi method)를 통하여 고성능 니켈 인화물 나노입자를 합성할 수 있는 실험 인자들 간의 상관관계를 분석하여 최적화된 조건을 제시했다고 26일 전했다.

기존의 재료 데이터를 통해 결과를 분석하는 방법과는 달리 실험계획법은 다양한 인자들과 그 결과에 따른 상관 분석을 통해 더 적은 실험을 통해서 최적의 결과를 얻을 수 있는 방법으로 알려져 있다.

이를 활용하여 본 연구에서는 다양한 변수를 적용하고 전기화학 반응 결과와의 상관관계를 규명하여 최적화된 전기화학 반응을 예측하였으며, 전기화학 반응에 최적이 되는 전기 촉매의 합성 조건을 얻을 수 있었다.

본 연구결과는 추후 연구를 기반으로 하는 산업 분야에서 우수한 결과를 이끌어내는데 필요한 변수와 결과의 상관관계를 미리 분석하여 결과 도출을 위한 비용을 효과적으로 줄일 수 있는 최적화된 연구 방법을 제시하였고, 소재 합성 뿐만 아니라 전기화학적 응용분야에서 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다. 

이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘MATERIALS TRANSACTIONS’에 게재되었다. 

출처: https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20230725010007040