경상국립대학교

최명룡 교수팀, 고엔트로피 단일원자 및 NiFe 계면 촉매로 고성능 수전해 반응 구현

▸국제 저명 학술지 《저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A》 2편 연속 표지논문 선정

▸수소·산소 동시 반응을 레이저를 사용한 합성법으로 구현

경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 자연과학대학 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀이 펄스 레이저 기반의 친환경 합성 기술을 활용해 수소 및 산소 발생 반응(HER/OER)의 성능을 비약적으로 향상시킨 촉매를 개발했다. 

이와 관련한 2편의 연구는 세계적 에너지 소재 분야 학술지인 《저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)》(IF: 10.8)에 표지 논문으로 연속 선정되며 학계의 주목을 받고 있다.

첫 번째 연구에서는 철(Fe), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd) 등 6종의 전이금속으로 구성된 고엔트로피 합금(High-Entropy Alloy, HEA)과 고엔트로피 단일원자 촉매(High-Entropy Single-Atom Catalysts, HESACs)를 그래핀 산화물(GO) 지지체에 고르게 분산시켜 전 pH 영역에서 안정적으로 작동하는 수전해 전극을 구현했다. 특히, 단일 공정의 펄스 레이저 유도 액상합성법(PLIL)을 활용함으로써, 복잡한 다원소 구조를 간단하고 높은 재현성으로 구현했다는 점에서 높은 평가를 받았다.

해당 연구에서는 실시간 라만 분광 분석과 X선 흡수 분광(XAS), 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 고엔트로피 시스템에서의 전자 구조 조절과 반응 중간체의 흡착 메커니즘을 정밀하게 규명했다. 다양한 활성 부위에서의 금속 원소 간 시너지 효과가 반응 속도 향상에 기여함을 실험과 이론으로 입증했다.

두 번째 연구는 니켈폼(Nickel Foam) 기반 전극 위에 수산화니켈을 형성한 후, 마이크로파 처리를 통해 니켈-철 이중 수산화물(NiFe LDH) 촉매를 제작한 것이다. 레이저 및 마이크로파 표면 처리로 형성된 구조체는 계면 전하 전달 특성이 극대화되었고, 그 결과 산소 발생 반응에서 상용 이리듐 촉매(IrO₂)를 능가하는 전기화학적 성능을 구현했다.

이 연구는 주로 전기화학 분석과 전자현미경 기반 물성 분석을 통해 촉매의 구조적 안정성과 전하 전달 능력을 입증했으며, 특히 철(Fe) 도입을 통한 전자 구조 조절과 반응 속도 향상이 핵심적인 성과로 평가받고 있다.

경상국립대학교 최명룡 교수는 “이번 연구는 서로 다른 구조와 원리를 가진 촉매 시스템을 레이저 기반 공정으로 구현해 고효율 수전해 전극 기술의 새로운 가능성을 보여준 사례이다. 친환경 수소 경제 실현을 위한 핵심 기술로의 확장 가능성 또한 기대된다.”라고 말했다.

해당 연구는 한국연구재단(NRF) 및 교육부가 주관하는 기초과학 연구역량 강화사업 ‘광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터’와 ‘인프라 고도화: 실시간 극저온 엑스선 흡수 분광기 구축을 통한 우주극한환경 대응 광화학 소재 개발’ 사업의 지원을 바탕으로 수행했다.

ㅇ 사진 설명: 표지논문, 이동현 석사과정, 표지논문, 이예령 박사과정, 띠따기리 자야라만 박사, 최명룡 교수(왼쪽부터)

ㅇ 내용 문의: 경상국립대학교 화학과 최명룡 교수 055-772-1492