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NEW 조인선 교수팀, 20초 만에 만드는 차세대 수소 생산용 전극 개발
- 2026-01-13
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아주대학교 첨단신소재공학과 조인선 교수 연구팀이 매우 빠르게 합성할 수 있으면서 넓은 면적의 균일한 생산이 가능한 수소 생산용 전극 소재를 개발했다.
조인선 교수팀의 이번 연구 성과는 ‘확장성과 내구성을 갖춘 수소 생산을 위한 화염 기반 스피넬 Fe-Ni-O 나노입자-나노시트 초구조(Flame-constructed spinel Fe-Ni-O nanoparticles-on-nanosheet superstructures for scalable and durable hydrogen production)’라는 제목의 논문으로 화학공학 분야 저명 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 1월호에 게재됐다.
이번 연구에는 아주대학교 대학원 에너지시스템학과 석사과정의 김진실 학생(위 사진 왼쪽)이 제 1저자로 참여했다. 황성원 학생(에너지시스템학과)과 정유재 졸업생(현 미국 콜로라도대학 박사과정) 역시 제 1저자로 함께 했다. 조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 오른쪽)는 교신저자로 연구를 주도했다.
수소는 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 친환경 에너지원인 수소를 생산하기 위한 과정에서 탄소를 배출하는 화석연료가 사용된다는 점이 여전히 문제로 남아 있다. 현재 산업 현장에서 사용되는 수소 대부분은 여전히 화석연료를 기반으로 생산되고 있는 것.
이러한 한계를 해결하기 위한 대안이 ‘수전해 기술’이다. 수전해는 물(H2O)을 전기 에너지를 이용해 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 방식으로, 재생에너지를 활용할 경우 매우 친환경적인 수소 생산이 가능하다. 다만, 수전해 반응이 효율적으로 진행되기 위해서는 성능이 뛰어나면서도 가격이 합리적인 전극 소재가 필수적이다.
그동안 수전해 전극에는 루테늄(Ru)이나 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 촉매가 주로 사용되어 왔다. 그러나 이들 소재는 성능은 우수하지만, 가격이 매우 비싸고 자원이 한정적이라는 단점이 있다.
조인선 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 철(Fe)과 니켈(Ni) 기반의 산화물 촉매에 주목했다. 특히 ‘솔-플레임(sol-flame)’이라 불리는 초고속 화염 공정을 활용해 나노입자와 나노시트가 하나의 구조로 연결된 새로운 초구조(superstructure) 형태의 전극 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 공정은 합성에 걸리는 시간이 20초 수준으로 매우 짧을 뿐만 아니라, 넓은 면적의 전극을 균일하게 제작할 수 있다. 이에 실험실 수준을 넘어 실제 산업에의 적용 가능성을 크게 높였다는 평가를 받고 있다.
조인선 교수 연구팀의 솔-플레임 기법을 통한 Fe–Ni–O 스피넬 기반 0D/2D 초구조 촉매의
합성 및 태양광-수전해(PV-EC) 시스템 모식도
연구팀이 개발한 전극은 낮은 전압에서도 안정적으로 수전해 반응을 유지했으며, 대면적 전극에서도 균일한 성능을 보였다. 특히 태양전지와 결합한 태양광-수전해 시스템에서는 외부 전원 없이도 500시간 이상 안정적으로 작동했으며, 실제 야외 환경에서도 우수한 에너지 변환 효율을 기록했다. 이는 실제 환경에서도 활용 가능한 수소 생산 기술임을 보여준 결과로, 향후 친환경 수소 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한편 이번 연구 성과는 제 1저자인 김진실 학생(대학원 에너지시스템학과 석사과정)이 첨단신소재공학과 재학 시절 학부 연구생으로서 시작한 연구라는 점에서 더욱 의미가 깊다.
김진실 학생은 “학부 연구생으로 처음 연구를 시작할 당시에는 시행착오도 많았지만, 교수님과 연구실 구성원들의 도움으로 꾸준히 실험과 분석을 이어올 수 있었다”라며 “작은 호기심으로 시작한 연구가 국제 저널에 게재되는 성과로 이어져 매우 뜻깊다”라고 소감을 밝혔다.
이어 “연구에 관심 있는 학부생이라면, 처음부터 완벽하지 않더라도 용기를 내어 연구에 참여해 보길 바란다”고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.