특허 개요
본 특허는 직물 지지체 위에 탄소나노튜브와 비귀금속 촉매를 결합한 다공성 수분해 전극으로, 물에서 수소와 산소를 만드는 수전해 반응을 위한 전극입니다. 아민기로 개질한 직물에 카르복실기 개질 다중벽 탄소나노튜브와 TREN 링커를 수소결합 기반 Layer-by-Layer 조립으로 반복 적층하고, 그 위에 Ni 및 NiMo 또는 NiFe 촉매층을 전기도금합니다. 직물 세공과 탄소나노튜브 어셈블리가 만드는 2중 다공성 구조는 전해질 침투, 기체 배출 및 전하 수송을 지원하며, NiMo 층은 수소 발생 반응, NiFe 수산화물·옥시수산화물 층은 산소 발생 반응에 적용됩니다.
- 핵심 기능
아민기 개질 직물 지지체에 COOH-MWCNT와 TREN을 반복 결합해 전도성 및 다공성을 갖는 탄소나노튜브 어셈블리를 형성하고, 그 위에 Ni 기저층과 NiMo 또는 NiFe 촉매 활성층을 전기도금합니다. 형성된 전극은 2중 다공성 경로를 통해 전해질과 촉매 활성점의 접촉, 반응 중 생성되는 수소·산소 기체의 배출, 전극 내부 전하 이동을 지원합니다.
- 차별 강점
기존 귀금속 촉매 전극은 비용 부담이 있고, 일반 다공성 집전체 기반 전극은 표면적·촉매 도입량 및 고전류 구동 안정성 확보에 한계가 있을 수 있습니다. 본 특허는 직물 지지체와 탄소나노튜브 다층 어셈블리, NiMo 또는 NiFe 비귀금속 촉매층을 일체화해 촉매층 결합력과 다공성 구조를 함께 설계한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼라인 수전해, 수소 발생 반응 및 산소 발생 반응용 비귀금속 촉매, 유연·직물 기반 전기화학 전극 분야에 활용 가능하며, 수전해 스택용 막 전극 접합체 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 그린수소 생산 설비, 수전해 스택, 촉매 코팅 전극 및 전극 소재 제품 개발에 활용 가능하며, 수소 생산·수전해 스택 기업과 전극·촉매 소재 기업의 실증 과제로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
NiMo-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 전극의 수소 발생 반응 및 NiFe-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 전극의 산소 발생 반응을 1M KOH 조건에서 평가했습니다. 비교 전극 대비 반응 성능 향상과 고전류 조건에서의 전압 유지가 제시됐으나, 실제 수전해 스택 및 막 전극 접합체 수준의 장기 내구성과 시스템 실증은 추가 확인이 필요합니다.
- 평가 전극: NiMo-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 수소 발생 전극 및 NiFe-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 산소 발생 전극
- 비교 전극: Ni-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물, Pt/C Ni foam 또는 IrO₂ Ni foam
- 전기화학 조건: 1M KOH, LSV, 기하학적 전극 표면적 기준 전류밀도 및 고전류 장시간 구동
현재 성과
NiMo-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 전극은 Ni-ED 전극 및 Pt/C Ni foam과 비교해 수소 발생 성능 향상이 제시됐습니다. NiFe-ED 탄소나노튜브 코팅 면직물 전극도 Ni-ED 전극 및 IrO₂ Ni foam과 비교해 산소 발생 성능 향상이 제시됐습니다. 정량적 전위 및 효율 값은 도입 대상 조건에서 별도 PoC로 확인이 필요합니다.
1M KOH에서 NiMo-ED 수소 발생 전극과 NiFe-ED 산소 발생 전극을 각각 평가했습니다. 두 전극 모두 100 mA cm⁻² 및 3,000 mA cm⁻² 조건에서 30시간 이상 일정한 전압값을 유지한 것으로 제시됐습니다.
카르복실기 개질 탄소나노튜브와 아민기 단분자 링커의 수소결합 다층 어셈블리를 직물 지지체에 형성하고, 그 위에 촉매 활성층을 결합하는 구조입니다. 직물 세공과 탄소나노튜브 층의 다공성 경로를 결합해 전해질 침투·기체 배출·전하 수송을 함께 고려하고, 촉매와 지지체의 결합 기반을 제공하는 점이 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 수전해 스택 및 막 전극 접합체 수준에서의 성능 검증
장기 운전 환경에서의 내구성, 촉매층 박리 및 전극 안정성 검증
대면적 전극 제조 공정의 재현성 및 스케일업 검증
수전해 시스템 조건에서의 통합 실증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
탄소나노튜브 어셈블리가 코팅된 지지체 기반 다공성 수분해 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수전해 장치
10-2023-0014341 (2023.02.02)
1020240121551 (2024.08.09)
1027998030000 (2025.04.18)
조진한, 손유현
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단