이지훈 교수(전자공학과) 연구팀, 높은 전류 밀도에서 고도의 안정성을 가지는 Ru/NiMnB 구형 클러스터 기둥 기반의 초순수 그린수소 생산을 위한 전기촉매 개발

 

- JCR 카테고리 CHEMISTRY, APPLIED분야 상위 2%, Q1, IF: 14.0 과학전문지 게재 -

- 니켈-망간-붕소 전극에 루테늄 도핑으로 우수한 성능 및 안정적인 고전류 오퍼레이션 및 산업적 요구 사항 충족 -

  모교 전자공학과 이지훈 교수 연구팀은 전자공학과 아하산 연구원(제1저자)과 함께 높은 전류 밀도에서 고도의 안정성을 가지는 녹색수소 전기촉매를 위한 루테늄 도핑된 니켈-망간-붕소 (Ru/NiMnB) 구형 클러스터 기둥(spherical cluster pillar, SCP) 전기촉매 전극을 세계 최초로 개발 하였다.

  Ru/NiMnB 구형 클러스터 기둥(SCP) 전극은 전기증착과 수열 반응을 조합하여 합성된다. NiMnB 매트릭스에서 Ru 도핑을 체계적으로 조사한 결과 전기촉매 성능이 크게 향상되었다. Ru/NiMnB SCP는 1M KOH의 50mA/cm2에서 150 mV 및 103 mV의 낮은 과전위로 우수한 OER/HER 활동을 보여 주었고, 최첨단 전기촉매로서의 성능을 보여주었다. 놀랍게도 Ru/NiMnB SCP는 1M KOH에서 2,000mA/cm2의 초고전류 밀도에서 2.80V의 낮은 2-E 셀전압을 나타내며, RuO2 || Pt/C의 표준 벤치마크 전극보다 뛰어난 성능을 나타내었으며 Ru/NiMnB SCP는 최고의 이중 기능 전기촉매 중 하나로 평가 되었다. 이러한 SCP는 가혹한 산업 환경인 고온, 6M KOH에서 150시간 이상 1,000mA/cm2 고전류 밀도로 연속 작동함으로써 탁월한 고전류 특성, 안정성 및 내식성을 나타내었다. 소량의 Ru 혼입만으로도 NiMnB의 전기촉매 성능이 크게 향상되는데 이는 활성 부위의 증가와 전도도, 흡착/탈착 능력 및 반응 속도와 같은 향상된 고유 특성으로 인해 발생하였고 설명되었다. Ru/NiMnB SCP는 효율적인 녹색 수소 생산을 위한 유망한 이중 기능 전극 개념을 제시하였다.  

높은 전류 밀도에서 고도의 안정성을 가지는 녹색수소 전기촉매를 위한 Ru/NiMnB 구형 클러스터 기둥 (SCP) 전극의 개략도. 다기능 Ru/NiMnB 구성은 RuO2( ) / Pt/C(-)의 벤치마크 전기촉매 보다 높은 물 분해 성능을 보여준다(Journal of Energy Chemistry, 2024)

  이번 연구의 연구진은 Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대 제1저자), Shusen Lin (연구교수, 광운대), Mehedi Hasan Joni (석박통합과정, 광운대), Sumiya Akter Dristy (석박통합과정, 광운대), Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대- 교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 - 교신저자)이며, 광운대 단독연구로 진행되었다. 아하산 (Md Ahasan Habib) 학생은 2021년 광운대 전자과 박사과정으로 입학하였으며, 현재 박사과정 4년차 연구원이다. 에너지, 메타 디바이스, 광전자 나노 디바이스 등 다양한 분야의 연구에 참여하여, 다수의 논문을 출판하였다. 아하산 연구원은 “논문이 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 남은 학위기간동안 우수한 연구를 더 많이 진행함과 동시에 박사학위 취득후 우수기관에서 계속 연구를 이어가 광운대를 빛내고 싶다"는 포부를 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21 ), 중점연구소 사업 및 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Journal of Energy Chemistry (JCR IF: 14.0, JCR 카테고리 CHEMISTRY, APPLIED 분야 상위 2%) 2024년 9월에 “Ru/NiMnB spherical cluster pillar for highly proficient green hydrogen electrocatalyst at high current density”의 제목으로 게재 되었다. (Web link: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.08.060) 한편, 이지훈 교수 연구팀은 효율성이 높으며 성능이 우수한 에너지 소재, 메타표면 기반의 다양한 나노소재, 광전자 디바이스 및 시스템 기술 연구 등을 진행 중에 있으며, 현재까지 170여 편의 JCR 상위 랭크 우수한 SCI 논문을 출판하고 있다. 이지훈 교수는 Advanced Materials (IF 27.4), Nano Energy (IF 16.8), Advanced Functional Materials (IF 18.5) 지외 30여 SCI 저널지의 리뷰어로도 활동 중이다. 세계 저명 출판사의 SCI 저널지 Assistant Editor 및 Editorial Board 직을 비롯해 다양한 SCI급 국제저널의 Guest Editor직도 수행중에 있으며, 국제 컨퍼런스의 다양한 커미티 및 오거나이즈 직도 동시에 수행 중에 있다.   출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)