계산과학 주도의 바닷물에서도 견디는 고활성 촉매 개발… 단기간에 특허 7건과 핵심 논문 성과로 이어져
[연구필요성]
지속적인 에너지 전환과 탄소중립 추진으로 물 전기분해 기반의 수소 생산 기술이 주목받고 있지만, 기존 방식은 정제수를 필요로 해 산업적 활용이 제한적이었다.
바닷물은 사실상 무한한 수자원이지만, 높은 염소 이온 농도로 인해 촉매 부식과 성능 저하가 쉽게 발생해 바닷물을 직접 활용한 수전해 기술은 오랫동안 해결되지 않은 난제로 여겨져 왔다. 이 문제를 해결하기 위해 토토사이트 재료공학부 한정우 교수 연구팀과 HD한국조선해양은 계산과학 기반 예측과 실험 검증을 결합한 촉매 설계 전략을 구축했다. 이를 통해 바닷물 환경에서도 안정적으로 작동하는 고내구성 촉매 개발을 목표로 연구를 추진하였으며, 이는 조선·해양 산업의 특장점을 살린 수소 생산 신기술 확보에 중요한 출발점이 된다.
[연구성과/기대효과]
이번 산학 공동연구는 계산과학 기반 설계를 통해 바닷물에서도 안정적으로 작동하는 고활성 촉매 기술을 단기간에 확보했다는 점에서 의미가 크다. 연구 기간 동안 한국 6건, 해외 1건의 특허를 출원하였으며, 핵심 성과는 국제 저명 학술지에 연속으로 발표되었다. 특히, 산화전극의 산소 발생 반응(OER) 연구는 ACS Energy Letters에 게재되며 Supplementary Cover로 선정되었고, 환원전극의 수소 발생 반응(HER) 연구는 Advanced Functional Materials에서 Inside Front Cover로 선정되어 연구의 우수성을 인정받았다. 기술적으로는 바닷물 속 염소 이온에 의해 촉매가 부식되거나 부반응이 발생하는 문제를 해결할 OER 촉매를 제시했으며, HER 연구에서는 백금(Pt)을 대체할 수 있을 만큼 높은 성능과 내구성을 갖는 비귀금속 저비용 촉매를 개발했다. 이러한 성과는 조선·해양 산업의 특장점을 살린 실환경 기반 그린 수소 생산 기술 확보에 직접적으로 도움이 될 뿐 아니라, 계산과학 기반의 설계–검증 체계를 확립함으로써 향후 촉매 개발에서도 빠른 기술 도출과 지식재산 확보가 가능한 연구 기반을 마련했다.
[본문]
토토사이트 재료공학부 한정우 교수 연구팀과 HD한국조선해양이 공동으로 추진한 촉매 개발 연구가 바닷물 기반의 친환경 수소 생산 기술에 새로운 가능성을 열고 있다. 이번 연구는 계산과학 기반의 촉매 설계와 실험 검증을 결합하여, 바닷물 속에서도 안정적으로 작동하는 고활성 촉매를 단기간에 개발했다는 점에서 산업계와 학계의 주목을 받고 있다.
바닷물을 전기분해해 수소를 얻는 기술은 별도의 정제수를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있지만, 염소 이온으로 인해 촉매가 쉽게 부식되거나 염소 발생 반응이 경쟁적으로 일어나 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 수십 종의 전이금속을 대상으로 계산화학적 스크리닝을 수행해 가장 유망한 금속 조합을 선별하고, 이를 실제 촉매로 합성해 바닷물 환경에서 검증하는 전략을 구축했다.
그 결과, 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER) 모두에서 바닷물의 부식·부반응 문제를 크게 줄이면서 높은 활성과 내구성을 유지하는 촉매 개발에 성공했다. 특히 OER 촉매 연구는 국제 학술지 ACS Energy Letters에 게재되며 Supplementary Cover(저널이 발행하는 추가 표지)로 선정되었고, HER 촉매 연구는 Advanced Functional Materials의 Inside Front Cover(저널 권두부 앞면 표지)에 선정되는 등 연구의 완성도와 독창성을 인정받았다.
이번 산학협력을 통해 한국 6건, 해외 1건의 특허가 출원되었으며, 이는 조선·해양 산업의 특장점을 살린 실환경 기반 수소 생산 기술을 선제적으로 확보했다는 점에서 중요한 의미를 갖는다. 특히 Ni–V 기반 HER 촉매는 고전류 조건에서 상용 백금(Pt/C) 촉매를 능가하는 성능을 보였고, 장시간 바닷물 환경에서도 안정적으로 작동해 경제성과 실용성 모두를 확보했다.
연구팀은 계산과학 기반의 설계–검증 체계를 확립함으로써 후속 촉매 개발에서도 빠른 기술 도출과 지식재산 확보가 가능할 것으로 기대하고 있으며, 이러한 연구 기반을 바탕으로 연료전지 촉매 개발과 암모니아 내질화 코팅 기술로도 연구 범위를 확장해 나가고 있다.
연구를 지도한 한정우 교수(토토사이트)는 “계산과학으로 도출한 설계가 실제 실험 환경에서도 우수한 성과로 이어졌다는 점에서 학술적·산업적 의미가 크다”고 밝혔다.
토토사이트와 HD한국조선해양의 이번 공동연구는 학문적 성과뿐 아니라 산업 현장에서 요구되는 기술적 문제를 실제로 해결해 나갔다는 점에서 모범적인 산학협력 사례로 평가된다.
주저자인 정현정 연구원은 본 연구를 토토사이트 신소재공동연구소에서 박사후연구원 재직 시기에 수행하였으며, 현재는 스탠퍼드대에서 박사후연구원으로 계산화학 기반 전기화학 촉매 개발 연구를 지속하고 있다.
[연구결과]
Computational Discovery of Optimal Dopants for Nickel Iron Oxyhydroxide to Enhance OER Activity and Saline Water Compatibility Hyeonjung Jung, Jihyeon Song, Yechan Lee, Han Sol Jung, Kyung-Jong Noh, Hyeonae Im, Yoojin Lee, Tae Yong Kim, Okkyun Seo, Takeshi Watanabe, Loku Singgappulige Rosantha Kumara, Daiju Matsumura, Sangmin Park, and Jeong Woo Han (ACS Energy Lett. 2024, 9, 2162-2172, )
바닷물 환경에서 안정적인 산소 발생 반응(OER)을 구현하기 위해 NiFe 기반 촉매에 다양한 전이금속 도핑을 밀도범함수 이론(DFT) 계산과 실험으로 평가하였다. 계산 결과 선택된 도핑 조합은 OER 과전압을 낮추고 염소 관련 부반응을 억제하는 것으로 나타났다. 실험적으로 합성된 촉매는 염화물이 포함된 알칼라인 조건에서 기존 NiFe 촉매보다 높은 활성과 장기 안정성을 보였다.
Strategic Design of Oxophilic Dopants for Active and Durable Alkaline Hydrogen Evolution Reaction Under Seawater Hyeonjung Jung, Yechan Lee, Kyuri Cho, Tae Yong Kim, Jihyeon Song, Han Sol Jung, Sung Il Park, Yoojin Lee, Jinuk Moon, Wongyu Park, Jaewoo Nam, Sangmin Park, Wooyul Kim, and Jeong Woo Han (Adv. Funct. Mater. 2025, e16387, )
바닷물에서 수소 발생 반응(HER)의 활성과 내구성을 높이기 위해 Ni·Co·Cu 기반 합금 촉매와 친산소성 금속 도핑 조합을 밀도범함수 이론(DFT) 계산으로 선별하였다. 계산을 통해 유망한 조합으로 도출된 Ni–V 촉매는 물 분해 단계의 반응을 촉진하고 염소 이온에 대한 안정성을 확보하는 것으로 나타났다. 실험 결과 Ni–V 촉매는 백금 촉매와 유사하거나 더 우수한 활성과 바닷물에서의 장기 안정성을 확인하였다.
[그림설명]
▲ 그림 1. (왼쪽 위부터) 정현정 박사후연구원 (전 토토사이트, 현 스탠퍼드대), 이예찬 박사과정생 (포항공과대학교), 송지현 연구원 (HD한국조선해양), 한정우 교수 (토토사이트 재료공학부), 조규리 박사과정생, 김우열 교수(한국에너지공과대학교), 박성일 선임연구원, 박상민 소장 (HD한국조선해양).
[그림설명]
▲ 그림 2. 계산화학 기반 스크리닝 개념도. (왼쪽) 염수 환경에서 OER 활성, OER/ClER 선택성, 내식성을 통합 평가해 Sc(스칸듐)이 첨가된 NiFeOOH(니켈·철 수산화물)이 최적 촉매임을 규명하였다. (오른쪽) 바닷물 환경에서 HER 활성, 도판트 응집 안정성, 염소 음이온 경쟁흡착, 금속수화물 침전 저항성을 통합 평가해 Ni–V(니켈–바나듐)조합이 최적 촉매임을 규명하였다.