특허 개요
본 특허는 직물에서 만든 다공성 탄소 바탕에 촉매를 입힌 수전해용 다공성 촉매-전극으로, 물을 수소와 산소로 분해하는 과정에 사용됩니다. 직물을 600～1000℃에서 탄화해 친수성과 전도성을 갖는 직물 소재 유래 전도성 탄소지지체(CST)를 만들고, 카복실기와 아민기로 표면을 순차 개질한 뒤 전기도금으로 촉매금속을 내부 피브릴까지 형성합니다. Ni 도금층은 β-Ni(OH)2 기반 수소발생반응(HER) 전극으로, NiFeCo 도금층은 NiOOH 기반 산소발생반응(OER) 전극으로 구성되며, 두 전극을 조합해 2전극 수전해 시스템을 구현합니다.
- 핵심 기능
다공성 탄소지지체가 전해질 침투와 생성 기체의 배출 경로를 제공하고, 표면의 카복실기·아민기 개질층이 촉매금속층의 결합을 돕습니다. 이후 전기도금으로 Ni 또는 NiFeCo 촉매층을 형성해 각각 HER용 환원전극과 OER용 산화전극으로 작동시키며, 양 전극을 조합해 물을 수소와 산소로 분해합니다.
- 차별 강점
기존 귀금속 촉매 파우더-바인더 코팅 방식은 전하이동 저하와 촉매층 결합 안정성 문제가 있었고, 소수성 탄소섬유직물은 내부까지 균일한 코팅이 어려웠습니다. 본 기술은 친수성 직물 유래 탄소지지체와 순차 표면개질, 전기도금을 결합해 바인더 없이 다공성 내부까지 촉매층을 형성하고, 기체 압력에 따른 탈착·박리 문제를 줄이는 구조를 제시합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼라인 수전해의 HER·OER 촉매, 다공성 전극 설계, 대면적·유연형 전극 제조 분야에 활용 가능하며, 촉매-지지체 계면과 전해질·기체 전달을 함께 최적화하는 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 그린수소 생산용 수전해 셀, 수전해 스택용 전극, 촉매·전극 소재 및 에너지 플랜트용 수소 생산 시스템으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
1M KOH 조건에서 LSV, ICP-MS, SEM/EDX, XRD 분석과 HER·OER 전기화학 평가를 수행해 직물 유래 CST 기반 Ni 및 NiFeCo 전극의 구조와 반응 성능을 확인했습니다. 두 전극을 조합한 2전극 시스템에서 고전류 장기 구동을 평가했으나, 실제 수전해 스택의 고압·고온 운전 및 대면적 조건 검증은 아직 필요합니다.
- 시료: 실크 직물 유래 CST 기반 EP Ni-CST HER 전극, EP NiFeCo-CST OER 전극 및 양 전극 조합 시스템
- 비교군: EL Ni-CST, 탄소섬유직물, hydrothermal NiFeCo-CST, EP NiFe-CST, 상용 Pt/C/Ni foam 및 IrO2/Ni foam
- 전해질·제조 조건: 1M KOH에서 HER·OER LSV 평가, Ni 도금 360 mA/cm²·5분, NiFeCo 도금 30 mA/cm²·10분
현재 성과
Ni-CST 캐소드와 NiFeCo-CST 애노드를 조합한 2전극 수전해 시스템은 해당 전류밀도에서 일정한 전압을 유지했습니다. 구동 후에도 돌기형 구조와 나노시트 배열의 변화, 촉매층 탈착 또는 박리가 관찰되지 않았습니다.
EP Ni 음극과 NiFeCo/Ni 양극으로 구성한 2전극 시스템에서 발생한 수소와 산소의 양을 이론 발생량과 비교했습니다. 발생 기체량은 이론량과 99.8% 일치하는 것으로 확인됐습니다.
기존 소수성 탄소섬유직물은 직물 내부 피브릴까지 촉매를 균일하게 형성하기 어렵고, 무전해도금은 두께 제어와 내부 성장에 한계가 있었습니다. 본 기술은 탄화 직물의 친수성 지지체를 카복실기·아민기로 순차 개질한 뒤 전기도금해 다공성 구조를 유지하면서 금속 촉매를 균일하게 형성하는 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
수전해 스택 적용을 위한 대면적 전극 제조 공정의 재현성 및 균일성 검증
고압·고온 운전과 실제 시스템 조건에서의 전기화학 성능 및 장기 수명 평가
스택 단위 스케일업 시 촉매 로딩, 전극 접합 및 운전 조건의 최적화
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
탄소지지체 기반 다공성 수분해 촉매 및 이의 제조방법
10-2022-0114725 (2022.09.13)
1020240007875 (2024.01.17)
1029171960000 (2026.01.20)
조진한, 모정민, 고윤지
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단