전기화학 분야 국제학술지 International Journal of Hydrogen Energy (IF=9.2, JCR 12.5%) 논문 게재

국제 공동연구 통해 고효율 친환경 수소 생산 위한 나노복합 촉매 공정 기술 제시

충격파및기체역학 실험실 김익현 교수 연구팀이 인도 Thiagarajar College of Engineering 연구진과의 국제공동연구를 통해 금속산화물의 나노구조와 계면을 제어하여 수전해 기반 수소 생산 성능을 향상할 수 있는 나노복합 전기촉매 기술을 제시하였다. 이번 연구성과는 전기화학 분야 국제학술지 International Journal of Hydrogen Energy (IF=9.2, JCR 12.5%)에 “WO₃/Y₂O₃ nanosheet-nanoflake nanocomposites as electrocatalyst for hydrogen and oxygen evolution reactions”라는 제목으로 게재됐다. 논문에는 충격파및기체역학 실험실의 Sivaprakash 박사연구원과 인도 Thiagarajar College of Engineering의 Velusamy Periyasamy 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 김익현 교수는 공동저자로 연구에 참여했다.

이번 연구는 수전해 과정에서 발생하는 전기화학 반응을 소재 자체의 촉매 활성뿐만 아니라 전극 표면에서 이루어지는 물질전달과 계면 수송, 수소·산소 기체의 생성과 배출이 서로 연계된 전달현상으로 해석했다는 점에서 의미가 있다. 수전해에서는 전해질 내 이온과 반응물이 전극 표면으로 이동하고, 전극 계면에서의 전하 전달 반응을 통해 수소와 산소가 생성된다. 이 과정에서 생성된 기체는 전극 표면에서 기포를 형성한 뒤 주변 전해질로 이동하기 때문에 전극의 미세구조와 표면 특성은 반응 속도뿐 아니라 국소적인 물질전달과 기체 배출에도 직접적인 영향을 미친다. 따라서 전극과 전해질의 접촉면적을 확보하고 반응물과 생성물이 원활하게 이동할 수 있는 경로를 형성하는 것은 수전해 시스템의 효율을 높이기 위한 중요한 설계 요소이다.

공동연구팀은 이러한 관점에서 텅스텐 산화물(WO₃)과 이트륨 산화물(Y₂O₃)을 결합한 나노복합 전기촉매를 개발했다. WO₃는 화학적 안정성과 경제성을 갖춘 금속산화물이지만 전하 전달 특성과 활성점이 제한적이어서 단독 촉매로 활용하는 데 한계가 있다. 연구팀은 WO₃ 나노시트(nanosheet)와 Y₂O₃ 나노플레이크(nanoflake)를 결합해 서로 다른 형상의 나노구조가 연결된 복합체를 구현했다. 이를 통해 전해질과 접촉하는 유효 반응면적을 넓히고, 소재 내부와 계면에서 전하와 물질이 이동할 수 있는 경로를 확장했다. 분석 결과, 두 금속산화물 사이에 형성된 이종계면(heterointerface)과 산소 공공(oxygen vacancy)이 전기화학적 성능 향상에 중요한 역할을 하는 것으로 확인됐다. 특히 Y₂O₃는 직접적인 촉매 활성점으로 작용하기보다는 WO₃와의 계면 형성과 산소 결함의 안정화를 통해 주변 WO₃의 전자구조와 전하 전달 환경을 변화시키는 역할을 했다. 이는 나노스케일에서 계면구조와 결함 분포가 전자와 이온의 이동경로를 좌우하고, 결과적으로 에너지 변환 성능에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

이번 연구는 수전해 성능을 촉매 소재의 고유 활성만으로 설명하는 데서 나아가, 전극–전해질 계면에서의 반응물 공급과 전하·이온 수송, 기체 생성 및 배출이 서로 연계되는 전달현상으로 확장해 이해했다는 데 의의가 있다. 실제 수전해 장치에서는 전극 표면에서 발생하는 수소와 산소 기포가 주변 전해질의 국소 유동과 물질전달에 영향을 미치며, 기포의 성장과 이탈에 따라 유효 반응면적도 달라질 수 있다. 따라서 전극의 나노구조와 계면 특성을 전극 주변의 유동 및 기포 거동과 함께 고려하는 것이 수전해 시스템의 성능 향상에 중요한 요소가 될 수 있다.

이번 연구의 핵심 성과는 단일 소재의 조성을 변화시키는 기존 방식에서 벗어나, 서로 다른 금속산화물의 나노구조와 이종계면, 미세결함을 제어해 전하 및 물질전달 특성을 향상시키는 전극 소재 설계 전략을 제시했다는 점이다. 특히 고가의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 금속산화물 기반 전기촉매의 가능성을 제시하는 한편, 전극 계면에서의 미세 수송현상과 기포 생성·성장·이탈에 따른 다상유동 특성을 연계해 해석할 수 있는 기반을 마련했다. 향후에는 이러한 소재 설계와 전극 주변의 유동 및 기포 거동을 함께 최적화함으로써 수전해 시스템의 에너지 손실을 줄이고 수소 생산 효율을 높이는 전극 및 유로 설계로 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.157006