특허 개요
본 특허는 알칼리성 물 전기분해에서 수소를 만드는 루테늄 도핑 CoFeP 나노프레임 촉매(RCFP/NF)와 그 제조 방법에 관한 기술입니다. 코발트-철 프러시안 블루 유사체를 개방형 나노프레임 전구체로 만들고, 루테늄 이온교환과 인화 공정을 순차 적용해 중심부와 면부가 비어 있는 3차원 구조를 형성합니다. 이 구조는 N·P 공동 도핑 탄소층으로 캡슐화되며, Ru 도핑에 따른 전자 변조와 중공 프레임의 활성점 노출·물질전달 경로를 결합해 OH* 및 H* 흡착 특성을 조절합니다.
- 핵심 기능
CoFe PBA 나노프레임 전구체에 Ru 원자를 도핑한 뒤 Ar 분위기에서 인화해 Ru 도핑 CoFeP 중공 나노프레임을 제조합니다. 형성된 촉매는 개방형 프레임으로 전해질 접촉과 반응물 이동을 돕고, Ru-Fe 중심의 전자구조 조절로 알칼리성 수소발생반응의 물 해리와 수소 생성 반응을 촉진합니다.
- 차별 강점
기존 Pt 기반 촉매는 비용·희소성 및 알칼리 조건 안정성 문제가 있고, 기존 전이금속 인화물도 촉매활성의 추가 개선이 요구됩니다. 본 기술은 CoFeP 나노프레임에 Ru 도핑·인화·탄소층 캡슐화를 결합하여, 활성 표면적과 전자구조를 함께 설계한 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리성 수전해, 고전류밀도 수소발생 전극, 에너지 변환용 전기촉매 및 PV-PEC 연계 수소생산 분야에 활용 가능하며, 전극 구조와 촉매 조성 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 그린수소 생산설비, 수전해 스택용 전극 소재, 재생에너지 연계 수소 생산 시스템 및 친환경 에너지 부품 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
질소 포화 1.0 M KOH의 실온 3전극 조건에서 RCFP/NF와 Ru 도핑 유무, 나노프레임·나노큐브 형태, 상업용 Pt/C를 비교해 HER 성능을 평가했습니다. 100 mA/㎠ 크로노포텐시오메트리로 100시간 작동 안정성을 확인했으나, 실제 수전해 셀과 대면적 전극에서의 성능은 제시되지 않았습니다.
- 평가 시료: RCFP/NF, a-RCFP/NF, CFP/NF, RCFP/NC 및 상업용 Pt/C
- 전해질 조건: 질소 포화 1.0 M KOH, 실온, 촉매 로딩 0.15 mg/㎠
- 평가 방식: 5 mV/s LSV 및 2000 rpm 조건, 100 mA/㎠ 크로노포텐시오메트리 100시간
현재 성과
RCFP/NF는 알칼리성 HER 평가에서 10 mA/㎠ 기준 과전압 112 mV와 Tafel 기울기 63.3 mV/dec를 나타냈습니다. Ru 도핑, 인화 및 중공 나노프레임 구조를 통해 OH* 탈착과 H* 흡착 특성을 조절하는 촉매 설계가 적용됐습니다.
질소 포화 1.0 M KOH의 실온 3전극 조건에서 고전류밀도 HER 특성을 평가했으며, 500 mA/㎠에서 과전압 219 mV가 확인됐습니다. 100 mA/㎠ 크로노포텐시오메트리에서는 100시간 후에도 작동전위 변화가 무시할 수 있는 수준으로 제시됐습니다.
CoFe PBA 개방형 전구체에 Ru 이온교환과 인화를 순차 적용해 Ru 도핑 CoFeP 중공 나노프레임을 형성하는 것이 핵심입니다. N·P 공동 도핑 탄소층, 전자구조 변조 및 개방형 물질전달 경로를 결합해 기존 CoFeP 촉매의 활성 개선 방향을 제시합니다.
상용화까지 남은 부분
실제 수전해 셀 환경에서의 전극 성능 및 스택 적용성 검증
대면적 전극 제조 조건과 촉매 코팅 공정의 재현성 확보
장기 수명, 고전류 운전 재현성 및 스케일업 제조공정 검증
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
수소 생성용 전이금속 인화물 나노프레임 촉매 및 그 제조 방법
10-2023-0100332 (2023.08.01)
1020250019332 (2025.02.10)
10-295929
김동완, 장건익, 윤현석
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단