특허 개요
본 특허는 직물 소재를 탄화한 탄소 지지체에 촉매금속을 전기도금해 만드는 다공성 수전해 촉매·전극입니다. 직물의 피브릴 가닥 사이 기공을 유지한 친수성 탄소지지체가 전해질 침투 경로와 촉매 담지 구조를 제공하며, 그 위에 Ni 또는 Ni·Fe·Co 기반 촉매활성층을 형성합니다. 특히 Ni(OH)2 베타상이 우세한 수산화물층을 형성해 수소 발생 반응 또는 산소 발생 반응용 전극으로 활용하는 구조입니다.
- 핵심 기능
직물 소재를 600～1000℃에서 열처리·탄화해 피브릴 기공과 친수성을 갖는 전도성 탄소지지체를 형성하고, 촉매금속을 전기도금해 내부 피브릴까지 활성층을 코팅합니다. Ni 기반 전극은 수소 발생 반응에, Ni·Fe·Co 기반 전극은 산소 발생 반응에 적용하며, 수산화물층의 활성상 형성을 통해 물 분해 반응을 유도합니다.
- 차별 강점
기존 Pt·Ir·Ru 기반 촉매나 카본 블랙·나피온 혼합 전극은 고가 귀금속 사용, 낮은 흡습성, 전하 이동 저하 및 촉매 파우더 탈락 문제가 있었습니다. 본 특허는 접촉각 0～60˚의 친수성 직물 유래 탄소지지체와 전기도금 활성층을 결합해 전해질 침투와 촉매의 균일한 담지를 도모하고, 귀금속 의존도를 낮추는 방향을 제시합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼라인 수전해의 수소 발생 전극, 산소 발생 전극, 다공성 전기촉매 소재 및 전극 구조 연구에 활용 가능하며, 전해질 침투와 전하 전달을 함께 설계해야 하는 전극 개발로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 그린수소 생산용 전해조, 알칼라인 수전해 장치, 수전해 스택용 전극 및 촉매·전극 소재 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
탄화 직물 유래 탄소지지체 기반 Ni 수소 발생 전극과 Ni·Fe·Co 산소 발생 전극을 대상으로 구조 및 전기화학 평가를 수행했습니다. 1M KOH 전해질에서 LSV 분석을 통해 수소·산소 발생 반응 특성을 확인했으나, 실제 수전해 셀·스택의 장기 운전과 수소 생산 효율은 구체적으로 제시되지 않았습니다.
- 전극 시료: 탄화 직물 유래 탄소지지체 기반 Ni 수소 발생 전극 및 Ni·Fe·Co 산소 발생 전극
- 비교 항목: 기존 Carbon fabric cloth
- 제조·평가 조건: 240 g/L NiSO4, 45 g/L NiCl2, 30 g H3BO3 도금액 및 360 mA/cm² 전류밀도, 1M KOH 전해질 LSV 분석
현재 성과
직물 유래 탄소지지체는 접촉각 0˚를 나타내 전해질 침투에 유리한 친수성을 보였습니다. Ni 전기도금 전극은 면저항 0.015 ohm/sq 및 전기전도도 15.22 S/cm로 제시되어, 전극 내 전하 전달을 위한 전도성 확보 가능성을 보여줍니다.
탄화 지지체의 접촉각과 전도성, 전기도금 후 촉매금속층의 피브릴 내부 균일성, 기공 및 표면 미세구조를 평가했습니다. 1M KOH 전해질에서 Ni 수소 발생 전극과 Ni·Fe·Co 산소 발생 전극의 LSV 분석을 수행했으며, 실제 셀·스택 환경의 장기 성능은 별도 검증이 필요합니다.
기존 카본 패브릭은 소수성으로 인해 다공성 표면적 활용과 전해질 접근에 한계가 있었고, 파우더형 촉매 전극은 바인더에 따른 전하 이동 저하 및 탈락 문제가 있었습니다. 본 특허는 피브릴 기공을 갖는 친수성 탄소지지체에 촉매금속층과 수산화물층을 전기도금으로 형성해, 지지체·촉매층을 통합 설계한 점이 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 수전해 셀·스택 환경에서의 장기 내구성 및 연속 운전 성능 검증
대면적 전극 제조 시 도금 균일성, 반복 제조 재현성 및 공정 조건 검증
수소 생산 효율, 시스템 수준 에너지 성능 및 스케일업 가능성 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
수분해 촉매 및 그 제조방법
10-2021-0057601 (2021.05.04)
1020220151047 (2022.11.14)
1025544360000 (2023.07.06)
조진한, 모정민, 고윤지
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단