붕소 도핑·인 제어한 3D 다공성 코발트 인화물 나노시트, 고전류에서도 귀금속 촉매 능가·100시간 내구성 확보
한양대학교(연구책임자 이승현) 연구팀은 금속–유기 골격체(MOF)를 전구체로 활용해 인(Phosphorus) 함량을 정밀 제어한 이원(dual) 기능성 비귀금속 촉매를 개발했다고 밝혔다.
연구진은 접근성이 높은 코발트 기반 MOF에 붕소를 도핑해 나노시트 구조로 전환한 뒤 인화 과정을 통해 인의 양을 최적화해 3차원 다공성 코발트 인화물 촉매(B-CoP₀.₅@NC/NF)를 제작했다.
개발된 촉매는 10 mA cm⁻² 조건에서 1.59V의 낮은 전압으로 물 분해를 실현했으며, 특히 50 mA cm⁻² 이상의 고전류 밀도 환경에서는 상용 귀금속계 촉매(RuO₂/Pt-C)를 능가하는 활성을 보였다.
장기 내구성에서도 우수해 100시간 이상 연속 구동 시 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다. 이는 그린수소 생산의 경제성을 개선할 수 있는 실질적 성과로 평가된다.
연구진은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 성능 향상 메커니즘도 규명했다. 붕소 도핑과 최적 인 함량이 촉매의 전자 구조를 유리하게 변조해, 반응 중간체와의 결합 강도를 최적화함으로써 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER) 모두에서 반응 활성화를 끌어낸 것으로 확인됐다.
이승현 교수는 “이번 연구는 값비싼 루테늄·백금 계열 촉매를 대체할 수 있는 비귀금속 촉매 설계 전략을 제시했다”며 “MOF 기반 붕소 도핑과 인 함량 제어 기술은 향후 다양한 에너지 변환 촉매 개발에 폭넓게 응용될 것”이라고 의의를 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초 신진후속·중견연계, 경기도청 GRRC, 한국산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 권위지 Small에 백커버 논문으로 게재됐다.
논문은 한양대 차든찬 박사과정·성균관대 석준호 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, Thangjam Ibomcha Singh 박사, 성균관대 이상욱 교수, 한양대 이승현 교수가 교신저자로 이름을 올렸다.
연구의 실험적 성과와 이론적 규명은 그린수소 생산 비용 절감과 원가 경쟁력 확보에 기여할 가능성이 크며, 향후 실증 및 촉매 대량 제조 공정 개발을 통해 상용화 단계로의 확장이 기대된다.