백성현 교수

리튬이온배터리의 에너지밀도 및 안전성 한계를 극복하기 위해 아연-공기 전지, 리튬-공기 전지, 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)의 상용화에 필수적인 비귀금속 기반 이중 기능성 전극 촉매 기술을 연구하고 있습니다. FeCo 합금과 산소결핍을 유도한 산화물 촉매를 설계하여 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER)을 동시에 구현하는 이중 기능 전극 촉매를 개발했습니다. 특히 산소 환원과 발생 반응을 하나의 촉매로 구현함으로써 전극 구조를 단순화하고 전지 시스템의 소형화 및 경량화에 기여하고자 합니다. 개발된 촉매는 백금·이리듐 등 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 가격 경쟁력을 확보하면서도 셀 단위 충방전 성능에서 우수한 결과를 보였으며, 아연-공기 이차전지, 음이온 교환막 연료전지, 리튬-공기 이차전지 등 차세대 전기화학 에너지 저장·변환 시스템에 적용 연구를 진행하고 있습니다. 관련 연구 성과는 Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF 20.2, 상위 0.6%)와 Applied Catalysis B: Environmental(JCR 상위 0.93%)에 게재되었으며, 현재 TRL 4-5 수준으로 실증 단계 기술 개발을 수행하고 있습니다.

경제적인 그린수소 생산을 위해서는 음이온 교환막(AEM) 수전해 시스템의 효율과 내구성을 동시에 개선할 수 있는 비귀금속 전극 촉매 개발이 요구됩니다. 니켈(Ni)과 코발트(Co) 기반 비귀금속 촉매를 설계하고, 산화 반응 대신 우레아 산화 반응을 활용하는 우레아 보조 수전해 기술을 적용하여 수소 발생에 필요한 에너지 소모를 낮추는 연구를 수행했습니다. 또한 우레아 산화 반응 경로를 활용함으로써 기존 산소 발생 반응 대비 인가 전압을 낮추는 효과를 확인했습니다. 이를 통해 AEM 수전해 수소생산 시스템에서 에너지 효율이 향상됨을 실험적으로 확인했습니다. 수소 발생 반응 관련 기술은 2019년 리미디어랩에 기술이전되어 산업체 적용 가능성을 검증했습니다. 현재 TRL 3-4 수준으로 비귀금속 촉매의 활성 및 내구성을 실증 규모에서 검증하는 단계에 있습니다.

수소 생산 공정의 장기 안정성을 확보하기 위해서는 수증기 메탄 개질(SMR) 반응에서 발생하는 황 및 탄소 피독에 대한 촉매의 저항성을 개선하는 것이 중요합니다. 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 Ni 기반 표면 합금 구조의 전자적·기하학적 특성을 예측하고, 이를 실험적으로 검증하여 피독 저항성이 개선된 표면 합금 촉매를 설계했습니다. 특히 탄소 침적 및 황 피독에 취약한 기존 Ni 촉매의 한계를 극복하기 위한 합금화 전략에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구는 수증기 메탄 개질 공정 및 수소 생산 시스템에 적용되며, Ni 기반 표면 합금 촉매 설계를 통해 독성 저항성이 개선됨을 개념 증명 단계에서 확인했습니다. 현재 TRL 2-3 수준으로 촉매 조성 최적화 및 반응 메커니즘 규명 연구를 진행하고 있습니다.