세계적 학술지 Small 2025 백커버 선정
한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 이승현 교수 연구팀이 알칼라인 수전해 반응의 효율을 극대화할 수 있는 새로운 이원 기능성 비귀금속 촉매를 개발하며 그린수소 생산 기술의 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다. 연구 결과는 세계적 재료과학 학술지 Small 2025년 호의 백커버(Back Cover) 논문으로 선정되며 연구의 우수성과 혁신성을 공식적으로 인정받았다.
연구팀은 금속–유기 골격체(Metal–Organic Framework, MOF)를 기반으로 붕소(B)를 도핑하고, 인화(phosphorization) 과정에서 인(Phosphorus) 함량을 정밀하게 조절하는 기술을 도입해 기존 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 촉매 구조 설계 전략을 제시했다. 특히 접근성이 높은 코발트(Co) 기반 MOF를 전구체로 활용해 나노시트 구조로 변환한 뒤, 3차원 다공성 형태로 구현한 촉매(B-CoP₀.₅@NC/NF)는 10 mA cm⁻² 조건에서 단 1.59V의 낮은 전압으로 물 분해를 구현하며 기존 다수의 비귀금속 촉매보다 뛰어난 성능을 보여주었다. 더 나아가 50 mA cm⁻² 이상의 고전류 밀도 상황에서는 상용 귀금속 촉매(RuO₂/Pt-C)보다도 높은 활성을 나타냈으며, 100시간 이상 장기 구동 후에도 성능 저하가 거의 없을 만큼 우수한 내구성을 입증했다.
성능 향상의 원인은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 과학적으로도 규명됐다. 붕소 도핑과 최적화된 인 함량이 촉매의 전자 구조를 효과적으로 조절하여 반응 중간체와의 결합 세기를 이상적으로 맞춤으로써 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER) 모두를 동시에 강화하는 것으로 확인된 것이다.
이승현 교수는 이번 연구에 대해 “고가의 귀금속 촉매에 의존하던 기존 그린수소 생산 구조에서 벗어나 비귀금속 기반으로도 높은 효율을 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다"며, “특히 MOF를 활용한 붕소 도핑과 인 함량 제어 기술은 향후 다양한 에너지 전환 촉매 개발로 폭넓게 확장될 수 있다"고 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초 신진후속·중견연계 과제, 경기도청 GRRC 사업, 한국산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 논문 'Tunable B-Doped Cobalt Phosphide Nanosheets Engineered via Phosphorus Activation of Co-MOFs for High Efficiency Alkaline Water-Splitting'에는 한양대 차든찬 박사과정과 성균관대 석준호 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, Thangjam Ibomcha Singh 박사, 성균관대 이상욱 교수, 한양대 이승현 교수가 교신저자로 참여했다.
한편 이승현 교수는 교내 연구 활동과 더불어 'Nano Convergence'에서 수석 편집위원으로 활동하고 있으며, 'Elastomer and Composite'의 편집위원장을 맡아 연구 분야의 학술 발전에도 기여하고 있다. 주요 연구 분야는 플라즈모닉 금속 나노입자 기반 광학 나노바이오센서, 그린수소 생산을 위한 3차원 나노구조 촉매, 차세대 반도체 패키징용 소재 및 평가 기술 개발 등으로 나노과학의 기초 이론부터 실용적 에너지·바이오 응용기술까지 폭넓은 연구를 수행하고 있다.
이번 연구 성과는 고효율·저비용 그린수소 생산 기술 개발을 위한 핵심 돌파구로 평가되며, 향후 수소 에너지 산업 발전에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.
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