한국에너지공대, 차세대 알칼라인 수전해 전극 상용화 돌파구 열다

김창희 교수팀, 세계 최고 수준 효율 89% 달성… 그린수소 생산 안정성 검증

한국에너지공과대학교(KENTECH, 총장 직무대행 박진호)가 차세대 수소생산 기술의 핵심 난제를 해결했다. 에너지공학부 김창희 교수 연구팀은 ‘대면적 제작이 가능한 공정’을 통해 이황화몰리브덴(MoS₂) 기반의 고성능 알칼라인 수전해용 수소발생전극을 개발하고, 재생에너지 환경에서의 내구성까지 검증했다고 4일 밝혔다. 이 기술은 실험실 단계를 넘어 산업 현장에서도 적용 가능한 공정으로, 세계 최고 수준인 89%의 수전해 효율을 달성했다. 이는 현재 독일 티센크루프(ThyssenKrupp)가 보유한 82% 효율을 넘어서는 수치다.

이황화몰리브덴은 비귀금속계 촉매 소재로, 구조적 조정에 따라 수소발생반응(HER) 효율을 향상시킬 수 있는 잠재력을 지닌다. 그러나 기존 연구는 나노 수준의 구조 제어에 한정되어 대면적화가 어렵고, 촉매활성의 균일성을 확보하기 힘들었다. 김창희 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘공동 스퍼터링(Co-sputtering)’ 공정을 도입했다. 이 과정에서 니켈(Ni)을 도핑하고, 증착 출력과 시간을 정밀 제어함으로써 MoS₂의 2H 구조를 고활성 1T 구조로 전환시켰다. 그 결과, 전하 전달 효율과 표면 활성 면적이 동시에 향상되어 전극의 촉매활성도가 대폭 개선되었다. 실제 알칼라인 수전해 단일 셀 평가에서 0.4 A/cm²의 전류밀도 조건에서 약 89%의 효율을 기록했다.

이번 연구의 또 다른 성과는 ‘재생에너지 연계운전 내구성’ 검증이다. 연구팀은 전극이 태양광·풍력 등 재생에너지의 출력 변동 환경에서도 안정적으로 작동하는지를 실험했다. 시동–정지 반복 평가 결과, 전극은 구조적 손상이나 성능 저하 없이 안정적인 작동을 유지했다. 김 교수는 “이번 성과는 성능 개선을 넘어 실제 수전해 산업 적용 가능성을 입증한 사례”라며 “그린수소 상용화를 앞당길 핵심 기술로 평가받을 것”이라고 강조했다.

이 연구는 독일 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소가 주관한 ‘차세대 알칼라인 수전해 산업 워크숍(Advanced Alkaline Electrolysis Industry Workshop)’에서 발표되어 학계와 산업계의 주목을 받았다. 연구 결과는 에너지 재료 분야 국제학술지 Energy & Environment Materials(JCR 상위 7%, IF 14.1)에 게재되었다. 논문명은 “Enhanced hydrogen evolution reaction performance of Ni-doped MoS₂ with 1T structure for alkaline water electrolyzer: Introduction of 1T phase and morphological optimization through co-sputtering technique”이다.

KENTECH은 이번 연구를 통해 수전해용 전극의 대면적화 기술을 확보하며, 연구실 실험 수준을 넘어 산업 규모로 확장 가능한 기반을 마련했다. 이는 국내 수소경제 전략과 맞물려, 재생에너지 기반 수소 생산 시스템의 효율성 향상에 기여할 것으로 기대된다. 김창희 교수는 “재생에너지의 출력 변동성에도 안정성을 확보한 이번 기술은, 그린수소의 경제성과 신뢰성을 동시에 확보하는 전환점이 될 것”이라고 말했다.

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