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코발트 기반 물산화 전극, 수소생산 10배 - KIST 청정에너지 연구팀 오형석 박사

[인터뷰] KIST 청정에너지 연구팀 오형석 박사

“코발트 기반 물산화 전극, 수소생산 10배”


수소 생산·시스템 지속 개발···2017년부터 KIST에서 연구 방사광 가속기 연 X-선 이용 빠른 대면적 전극 제조법도


2022.03.29 13:19:00 수정 2022.03.30 06:56:55


[가스신문 = 양인범 기자] “코발트 물질이 물산화 반응 중 재구성하는 현상을 이용한 전극은 기존보다 10배 이상의 수소를 생산할 수 있습니다.”

KIST(한국과학기술연구원) 청정에너지 연구팀의 오형석 박사는 수소연료전지 소매 및 시스템 연구를 오랫동안 해온 이 분야 전문가다. 그는 독일 베를린공대에서 수전해를 통한 그린수소 생산 소재 및 시스템 연구를 진행했다.

“베를린 BESSY Ⅱ 방사광 가속기에서 하드/소프트 X-선 기반 흡수분석법을 실시간 분석에 활용하는 기술을 보고 배웠습니다. 2017년부터 KIST에서 일하면서, CCU 기술의 하나인 전기화학적 CO₂ 전환을 통한 e-케미컬 연구를 하고 있습니다.”

오형석 박사팀과 KIST 채근화 박사팀은 지난 16일 국내 최초로 방사광 가속기 기반 실시간 연 X-선 흡수분석법을 개발해 새로운 물산화 전극 제조 방법을 개발했다고 발표했다.

“물산화 전극은 전해질 pH에 따라 적용되는 소재의 종류가 달라집니다. 산성 조건에서 이리듐과 루테늄이 활용되고, 염기에서는 니켈 기반이 사용됩니다. 이번 연구는 코발트를 기반으로 철과 황을 활용해 높은 물산화 활성을 가지는 전극 소재를 개발한 것입니다.”

코발트는 물산화 환경에서 4가의 산화수를 가지기 쉬워 물산화 촉매로 많이 활용되지 않는다. 오 박사팀은 코발트에 철을 도입해 3.2가 산화수를 유지하고 황화수소 처리를 통해 전극 활성 면적을 극대화 할 수 있었다.

“이 전략으로 코발트-철 기반 전극이 물산화 전극소재로의 가능성을 확인했습니다. 또 연 X-선 흡수 분석을 진행한 결과 재구성한 코발트 기반 전극이 Fe-CoOOH 상과 중간 스핀 상태를 반응 중에 유지하여 최적의 Eg 값을 갖는 반면에 일반적인 코발트 기반 전극은 활성이 낮은 CoO₂상과 높은 스핀 상태를 유지하여 Eg 값이 최적점에 비해 매우 높다는 사실을 밝혀내어 개발된 물산화 전극의 성능 향상 이유를 밝혀냈습니다.”

그는 실시간 연 X-선 흡수분석법이 그린수소 생산에 중요한 역할을 할 것이라고 설명했다.

“그린수소는 수전해를 통해 생산하는데, 가장 중요한 것은 전극 촉매의 성능 및 내구성을 개선하는 것입니다. 촉매가 실제 반응하는 전자구조 변화를 관찰하는데, 연 X-선 분석법이 필요합니다. 이번 연구 결과에서 개발한 실시간 연 X-선 흡수분석법을 활용해 놓은 활성 및 내구성을 가지는 소재들을 디자인 할 수 있어, 향후 활용 범위가 넓어질 것입니다.”

오형석 박사는 이 기술이 수소생산 성능 개선에 큰 효과를 가져왔다고 덧붙였다.

“코발트 물질이 물산화 반응 중 재구성하는 현상을 이용해 쉽고 빠르게 대면적 전극을 만드는 제조법을 개발했습니다. 이 전극은 일반 상용 코발트 폼전극과 비교해 1000배 이상 넓은 전기화학적 표면을 보였고, 수전해 시스템에 적용하면 수소생산을 10배 이상 늘릴 수 있습니다.”

그는 방사광 가속기를 활용하는 연 X-선 흡수 분석 플랫폼 개발이 가장 어려웠다고 말했다.

“가속기는 1년간 활용 시간이 한정적이며, 초고진공 챔버 안에 반응기를 얇은 X-선 윈도우가 포함되도록 제작해야 했기에, 최적 조건을 잡는 것이 어려웠습니다. 다만, KIST 내의 가속기 전문가들에게 도움을 받았습니다.” 오 박사는 수소 뿐만 아니라 CO₂ 전환 기술 연구에도 집중하고 있다.

“지난해 CO₂ 전환효율 상승 설계방법을 개발했는데, 탄소중립을 위해서라도 관련 연구는 지속적으로 수행해야 합니다. 가스신문 독자들도 이런 분야들에 대해 많은 관심 가져주시면 좋겠습니다.”

가스신문


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