소재·물리화학 분야 최고 수준의 학술지 'Advanced Energy Materials' 게재
동국대 물리반도체과학부 손정인 교수(교신저자) 및 조승환 박사과정생(제1저자) 연구팀이 양성자 교환 막 수전해 장치의 성능과 안정성 향상을 위해 산 분위기에서 안정한 고 엔트로피 칼코제나이드 산소 발생 촉매를 개발했다.
양성자 교환 막 수전해는 물을 전기 분해하여 그린 수소를 효과적으로 생산할 수 있는 기술이다.하지만 산 분위기에서 장시간 안정적으로 반응할 수 있는 고효율 및 고안정 산소 발생 촉매 개발이 요구돼 왔다.
고 엔트로피 소재는 5종 이상의 원소들이 무질서한 배열을 형성하면서 갖는 고 엔트로피 효과로 인해 높은 열역학적, 전기화학적 안정성을 갖는 장점이 있다. 그러나, 기존 고 엔트로피 합금은 균일한 고용체 (solid solution) 구조 형성에 높은 온도가 요구되고, 높은 온도에서는 구조 제어에 어려움이 있어 촉매 응용에 한계가 있었다.
연구팀은 금속-칼코젠 겹합간 높은 자유도를 가지는 칼코젠 원소를 도입하여 저온에서 다공성 시트 형태의 고 엔트로피 나노 소재를 개발하였고 산소 발생 촉매로 응용하였다. 개발된 촉매는 1Acm-2의 상용화 기준의 수전해 조건에서 1.81V의 낮은 전위를 보였으며, 100시간 동안 안정한 수전해 성능이 유지되는 것이 확인됐다.
손정인 교수는 “칼코젠 원소는 고 엔트로피 소재의 구조적 특성을 효과적으로 제어할 수 있어, 고 엔트로피 효과를 극적으로 활용한 것에 의미가 있다”며 “산 분위기에서 산소 발생 반응과 같은 높은 전기화학적 안정성이 요구되는 환경에서도 고 엔트로피 효과를 통해 지구상에 풍부한 비귀금속 소재들의 활용이 가능할 것”이라며 기대감을 보였다.
해당 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, <Nonprecious high-entropy chalcogenide glasses-based electrocatalysts for efficient and stable acidic oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis>라는 제목으로 소재·물리화학 분야 학술지 「Advanced Energy Materials (IF=27.8)」 2023년 9월호 내부 커버로 선정되어 게재됐다.