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이달의 우수논문 (JCR상위 1%이내)-김명진 교수

등록일
2021-06-02 13:50
작성자
관리자
조회수
652
게시기간
2021-06-02 ~ 2026-06-30
□ Understanding synergistic metal-oxide interactions of in situ exsolved metal nanoparticles on a pyrochlore oxide support
   for enhanced water splitting (금속-금속산화물의 시너지 효과를 이용한 고성능 수전해 전기화학 촉매의 개발 및 물분해 메커니즘에 대한 연구)

- 교신저자: 김명진(수소 및 신재생에너지학과), 김병현(한국에너지기술연구원 플랫폼연구실)
                이승우(조지아 공과대학 Woodruff School of Mechanical Engineering)
- 제1저자: 김명진(수소 및 신재생에너지학과)
- 공동저자: 박진호·주현(조지아 공과대학), 김진영(한국과학기술연구원), 조현석·김창희(한국에너지기술연구원)
- JCR 상위 0.189%, IF=30.289
- Energy & Environmental Science 게재(2021. 5. 1.)

* 자료제공: 경북대 IR센터
* Web of Science 및 SCOPUS DB에 새롭게 등록된 논문

정부는 2019년 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가로 도약하기 위한 ‘수소경제 활성화 로드맵’ 및 ‘수소 기술개발 로드맵’을 제시한 가운데, 고순도의 수소를 친환경적으로 생산할 수 있는 ‘그린 수소 생산 수전해 촉매 핵심기술’이 국내 연구진들에 의해 개발됐다.

현재 수소 생산의 대부분은 석유나 천연가스 등 화석연료로부터 추출되는 ‘그레이 수소’가 차지하고 있으나, 정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 온실가스가 배출되지 않는 친환경 ‘그린 수소’로의 패러다임 전환을 추진, ‘그린 수소 산유국’으로 도약하고자 한다.
그린수소의 생산으로 가장 촉망받는 방법은 물을 전기분해하여 수소를 얻는 수전해 방식으로서, 이 수전해 기술은 고가의 전력비용이 발생하기 때문에 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있는 고효율·고성능 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction) 및 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction) 촉매의 개발이 필수적이다.

연구팀은 전자전도성을 지니는 금속산화물인 Pyrochlore oxide를 이용하여 고효율 산소 및 수소 발생 촉매를 개발하였다. 먼저 Pb2Ru2-xNixO6.5 형태의 pyrochlore oxide 모체를 합성하고, 이 금속산화물을 이루는 양이온들의 환원온도가 다르다는 것에 착안하여 정밀한 환원온도 제어를 통해 Ni 및 Ru 양이온을 pyrochlore oxide 모체 표면으로 용리시키는 방법을 개발했다. 산소발생촉매로 Ni 양이온만 선택적으로 용리시켜 Ni 금속 나노입자가 도입된 pyrochlore oxide 복합 나노구조체를 합성하였고, 수소발생촉매로 Ni 및 Ru 양이온을 동시에 용리시켜 NiRu 합금 나노입자가 도입된 pyrochlore oxide 복합 나노구조체를 성공적으로 만들었다.
따라서, 표면에 용출된 금속입자와 pyrochlore oxide지지체간에 전자 전달 메커니즘을 Operando X-ray Absorption Spectroscopy 분석법과 Density Functional Theory 계산을 통해 규명하였다. 이를 통해 산소 발생 촉매의 경우, 환원 온도 정밀제어를 통해 나노 입자를 형성시키는 과정에서 생기는 원자 단위 결함으로 인해 금속-금속산화물의 전기화학적 특성이 향상됨을 확인하였으며, 수소 발생 촉매의 경우 금속산화물의 표면이 물분해 반응을 촉진하고, 합금 조성을 갖는 나노 입자가 수소 발생 반응성을 향상시키는 것을 확인했다.
이러한 시너지 효과로 인해 기존 상용 이리듐 옥사이드 및 백금 촉매 보다 약 61% 향상된 시간당 4.18 mL의 수소 생산 특성을 달성하였고 30시간의 장기 구동에서 98 % 이상의 성능을 유지하여 높은 내구성을 보고하였다.

본 논문에서 제시한 기술은 하나의 모체에서 환원온도의 조절만으로 산소발생촉매와 수소발생촉매를 동시에 합성할 수 있는데 의의가 있고, 이 기술은 비단 pyrochlore oxide뿐만 아니라 perovskite oxide, spinel oxide 등 다양한 금속산화물에 광범위하게 적용할 수 있어 향후 새로운 고성능 전기화학촉매를 디자인하는데 가이드를 제시할 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 에너지/환경 분야의 권위지인 Energy & Environmental Science (IF30.289) 5월 1일자에 게재됐으며, 연구의 중요성과 학문적 의의를 인정받아 저널 표지논문(Outside Front Cover)으로 선정되었다.