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저렴한 금속 촉매의 수소발생량 백금 수준으로 늘린다!

- 기존의 니켈 화합물 촉매를 간단한 표면처리법으로 백금과 인접한 효율 달성

- 신소재공학부 엄광섭·이주형 교수 연구팀, 화학공학 분야 저명 학술지 논문 게재

□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 연구진이 전기화학적 표면처리를 

통해 니켈 기반 화합물 촉매의 수소 발생 효율을 기존 대비 40% 이상 

향상시켰다.

  ∘ ‘수소 발생 효율’은 발생한 수소 연료의 부피 당 필요한 전력소모

량을 결정하는데, 이번 연구에서 개발된 촉매를 수전해에 활용하면 

수소 연료 생산 시 전력 소모량을 약 30% 감소시켜 수소 연료 가격

을 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다.

□ ‘수전해’는 양극에 수소 발생 촉매와 산소 발생 촉매를 사용해 전위

차를 발생시켜 물로부터 각각 수소 기체와 산소 기체를 발생시키는 장

치로, 수소 연료 발생 과정에 있어 이산화탄소 등 온실가스를 발생시

키지 않아 친환경 수소 연료 생산을 위한 핵심기술로 주목받고 있다.  

  ∘ 현재 수소 발생 촉매로 활용되는 대부분의 물질은 백금을 비롯한 귀

금속 촉매인데, 이러한 귀금속 촉매들은 가격이 높아 수소 연료의 가

격을 높이는 주요한 원인이 되기 때문에 니켈, 코발트, 철 등의 비

(非)귀금속 촉매를 개발하는 연구들이 많이 진행되고 있다.

지스트(광주과학기술원) 보도자료

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2023.02.14.(화)

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담당

홍보팀 이석호 팀장

062-715-2061

홍보팀 이나영 선임행정원 

062-715-2062

자료 문의

신소재공학부 엄광섭 교수

062-715-2313

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  ∘ 하지만 비귀금속 촉매는 백금 대비 효율이 낮아 많은 전력이 필요하

고, 이는 수소 연료의 가격을 높이기 때문에 비귀금속 촉매의 수소 

발생 반응 속도를 높이기 위한 연구가 필요하다. 

□ 신소재공학부 엄광섭, 이주형 교수 공동연구팀은 니켈 화합물의 전기화

학적 표면처리법을 통해 수소 발생 반응에 적합한 구조를 형성해 기존 

비귀금속 촉매 대비 수소 발생 효율을 약 44% 높일 수 있는 촉매를 개

발했다.

  ∘ 니켈 화합물 촉매 소재는 니켈과 첨가물 사이의 조성과 구조가 정형

화된다는 특징으로 인해 수소 발생 반응에 최적화된 조건을 맞추기 

어렵다는 단점이 있다.

  ∘ 이를 해결하기 위해 연구팀은 전기화학적 공정을 통해 실제 촉매 반

응이 일어나는 표면의 조성과 결정구조를 변형시켜 수소 발생 반응 

속도가 가장 빨라지는 조건을 형성했다.

□ 해당 표면처리법은 전해질의 산도(酸度, 산성의 세기), 이온 농도 등에 

따라 전기화학적 공정의 조건을 유연하게 변형시켜 활용할 수 있기 때

문에 활용도가 높다는 특징이 있다.

  ∘ 연구팀은 컴퓨터 계산을 통해 전해질의 산도에 따른 반응 과정의 변

화와 속도에 영향을 주는 요인들을 분석했다.

  ∘ 위 분석을 토대로 표면처리법의 조건을 변형시키며 산성, 염기성 조건

에서 니켈 화합물 촉매의 수소 발생 반응을 분석한 결과, 기존의 니

켈 화합물 대비 각각 1.44와 1.30배의 효율을 보였다.

  ∘ 표면 처리된 니켈 화합물의 수소 발생 효율은 백금촉매와 비교했을 

때 약 77%의 수준으로, 비용을 고려했을 때 백금 촉매의 대체제로 충

분히 활용 가능할 것으로 보인다.

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□ 또한 연구팀은 개발된 니켈 화합물 촉매의 내구성을 향상시키는 데 성

공했다. 연구팀에서 개발한 표면처리 결과 촉매의 부식성이 감소하는 

효과가 있어 강산(强酸) 용액 내에서 기존의 니켈 화합물 촉매 대비 8

배로 긴 수명을 확인했다. 

  ∘ 니켈을 비롯한 전이금속들은 산성 용액에서 수소 발생 반응과 동시에 

부식반응이 일어나 촉매의 수명을 단축시켜 산성 조건의 수전해에서 

상용화되지 못하고 있다.

  ∘ 표면 처리된 니켈 화합물은 니켈과 첨가물 사이의 결합이 강화되어 

상대적으로 안정한 구조를 갖게 되며, 이로 인해 부식 반응의 속도가 

크게 감소했다.

  ∘ 연구팀이 개발한 니켈 화합물 촉매는 강산 조건(pH 0.3)에서 약 3000

시간의 수명을 가지고 있었으며, 기존 니켈 화합물의 수명(약 375시

간)과 비교했을 때 매우 우수한 내구성을 확인하였다. 

□ 엄광섭 교수는 “대부분의 기존 연구들은 새로운 소재 개발에 초점을 

맞추고 있는 데 반해, 이번 연구는 소재의 표면 개질만으로도 촉매의 

성능 및 안정성을 충분히 향상시켰다는 데 큰 의의가 있다”고 말했

다.

□ 지스트 신소재공학부 엄광섭, 이주형 교수가 지도하고 조승현, 강별 박

사과정생이 수행한 이번 연구는 과학기술일자리진흥원 공공연구성과활

용촉진 R&D 사업 및 GIST-MIT AI융합 국제협력사업의 지원을 받아 

수행하였으며, 연구 성과는 세계적인 재료 분야 저명 학술지인 

「Chemical Engineering Journal」(2021 인용지수: 16.744, JCR 분야별 

2.79%)에 2023년 2월 1일자로 출판됐다.  <끝>

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용 어 설 명

1. 수소 연료 및 수전해 

 ○ 탄소 기반의 화석연료는 에너지를 생산하는 과정에서 환경오염을 유발하기 

때문에 이를 대체할 수 있는 자원의 개발이 필수적이다. 이 중 수소는 연료전지의 

연료로 활용하면 자발적으로 전기에너지를 생성할 수 있고 이 경우 이산화탄소 

등의 온실가스가 배출되지 않아 친환경적인 화석연료의 대체재로 각광을 받고 

있다. 수소 연료는 다양한 방법을 통해 생산을 할 수 있는데 방법에 따라 

회색수소, 청색수소, 녹색수소로 분류가 된다. 회색수소는 천연가스의 개질을 

통해 생산되는 수소로 비용은 저렴하지만 일산화탄소 및 이산화탄소의 발생으로 

인해 환경오염의 위험이 있다. 청색수소는 회색수소의 발생 과정에서 발생하는 

이산화탄소를 포집하는 공정을 추가해 환경오염이 상대적으로 덜하지만 

온실가스의 발생을 완벽하게 막을 수 없다는 한계점이 있다. 녹색수소는 

수전해를 통해 생산되는 수소로 수소 연료의 생산 과정에서 온실가스의 발생이 

일어나지 않는 친환경적인 방법이다.

 ○ 수전해는 전해질 내에서 수소 발생 촉매와 산소 발생 촉매를 각각 양극과 

음극으로 활용하고 외부에서 전기에너지를 가하여 수소와 산소를 발생시키는 

방법이다. 이 때 1.23 V 이상의 전위차를 가하면 흐르는 전류에 따라 소비되는 

전력이 결정이 되기 때문에 적은 전위차로 많은 수소의 생산을 유도하기 위한 

연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 수소 발생 촉매

 ○ 수소 발생 반응은 수전해의 양극에서 일어나는 반응으로, 수계 전해질의 물 분

자 또는 수소 양이온으로부터 수소 기체가 발생되는 반응이다. 수소 발생 반응

의 전기화학적 전위는 0 VSHE으로 해당 전위보다 낮은 방향으로 과전압이 가해

졌을 때 환원전류가 흐르면서 수소가 발생한다. 수소 발생 반응은 높은 활성에

너지를 가지고 있어 촉매의 활용이 필수적인데 촉매를 활용할 경우 반응을 촉

매의 표면 위에 수소 양이온이 흡착되는 과정과 탈착되어 수소 분자가 되는 반

응으로 분리해 반응이 원활이 일어나도록 돕는 역할을 한다. 이 때 두 단계의 

반응 속도가 균형을 이뤄야 수소 발생 속도가 최적화가 되기 때문에 가장 적합

한 촉매 소재를 찾는 것이 중요하다. 

  ○ 현재 가장 많이 사용되고 있는 수소 발생 촉매 소재는 백금으로 높은 수소 발

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생 효율을 보여주기는 하지만 높은 가격으로 인해 수소 연료의 가격 경쟁성을 

떨어뜨리는 악영향을 준다. 이에 백금을 대체할 수 있는 비 귀금속 촉매를 개

발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

3. 니켈 기반의 화합물 촉매 소재

 ○ 니켈 화합물은 귀금속에 비하면 상대적으로 저렴한 가격을 가지고 있으며 주목할 

만한 촉매 활성도를 가지고 있어 백금을 대체하기 위한 촉매 소재 물질로 많은 

관심을 받고 있다. 특히 니켈 인화물, 니켈 산화물, 니켈 황화물 등이 수소 발생 

촉매로 활용이 되는데 이 중 니켈 인화물의 경우 이론적으로 백금과 유사한 

성능을 가질 수 있다고 보고되어 실험적으로도 높은 효율을 달성할 수 있도록 

연구가 활발히 이루어지고 있다.

 ○ 니켈 인화물 촉매는 일반적으로 수열합성, CVD로 대표되는 화학적 합성법과 

전해도금으로 대표되는 전기화학적 합성법을 통해 제작이 된다. 그러나 기존의 

합성법을 통해 제작된 니켈 인화물 촉매는 화학적 합성법의 경우 니켈과 인 

사이의 조성과 결정구조가 획일화되어 촉매 성능의 최적화가 어렵고 전기화학적 

합성법의 경우 인의 원소 비율이 낮아서 충분한 촉매 성능을 보이지 못한다는 

단점이 있다. 이를 해결하기 위해 이전 연구들에서는 높은 표면적 형성, 복합적인 

결정구조의 형성, 니켈의 디팩트 형성 등의 전략들이 제안되어왔다. 특히, 둘 

이상의 결정구조를 가진 니켈 인화물을 제작해 반응 속도를 향상시키려는 

시도가 많이 이루어져왔으나, 해당 방법은 공정 과정이 까다로울 뿐만이 아니라 

실제 수전해에서 활용했을 때의 현실성이 떨어진다는 문제점이 있다. 

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그 림 설 명

[그림] 니켈 화합물 촉매의 표면처리 과정을 나타낸 모식도와 표면처리 정도에 

따른 촉매 활성도 비교. 

모식도는 제작된 니켈 인화물 촉매의 표면처리 과정 및 표면처리 이후 니켈 인

화물의 크게 향상된 전기화학 성능을 보여준다. 개발된 니켈 인화물 촉매 소재

는 전해질의 산성도 조건에 따라서 다른 수소 발생 메커니즘을 가지고 있기 때

문에 산성도에 따라 적합한 구조를 가질 수 있도록 표면처리의 반복 횟수가 조

절되었다. 그 결과 표면에서 니켈 대비 인의 비율이 상승하고 결정구조가 변화

되었으며 이러한 변화는 촉매의 표면 위에 수소 양이온의 흡착과 탈착 반응 속

도 사이의 균형을 맞춰 수소 발생 반응이 빠르게 일어날 수 있도록 한다. 

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논문의 주요 정보

1. 논문명, 저자정보 

 - 저널명 : Chemical Engineering Journal (Impact factor: 16.744, 2021년 기준) 

 - 논문명 : Reconstruction of a surficial P-rich layer on Ni-P electrocatalysts for 

efficient hydrogen evolution applicable in acidic and alkaline media

 - 저자 정보 : 엄광섭 교수, 이주형 교수 (지스트 신소재공학부, 공동 교신저자), 

조승현, 강별 박사과정생 (지스트 신소재공학부, 공동 제1저자)