고효율 수소 생산을 위한 비귀금속 전기 촉매의 구조 제어와 반응 활성 향상 기술 개발 = Development of Structural Control and Reaction Activity Enhancement Technologies for Non-Precious Metal Electrocatalysts toward High-Efficiency Hydrogen Production

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고효율 수소 생산을 위한 비귀금속 전기촉매의 구조 제어 및 반응 활성 향상 기술 개발을 목표로 수행되었다. 특히 음이온 교환막 수전해의 상용화를 저해하는 촉매의 활성 저 하 및 내구성 한계를 해결하기 위해, 두 가지 전략적 접근을 제시하였다. 첫 번째 연구에서는 Ni–MoO2/C 기반 cathode를 전기화학적 재구성을 통해 R–Ni–MoO2/C 촉매를 개발하였다. OCV 조건에서 선택적 Mo 용출을 유도하여 Ni과 MoO2 간의 강한 금속 지지체 상호작용을 형성함으로써, 전자 전달이 촉진되고 구조적 안정성이 향상되었다. 낮은 과 전압을 나타내며, 기존 Ni–MoO2/C 대비 향상된 HER 활성을 보였다. 또한 200 cm2 활성면 적의 상업용 AEMWE 구동 시 1.9 Vcell에서 200 A (1 A cm-2)에 도달하였고, 1.85 Vcell에서 약 1.26 L min-1의 수소를 생산하였다. 1,000 시간 동안 59 mV의 낮은 전압 상승만이 관찰 되어, 귀금속을 사용하지 않고도 높은 효율과 장기 내구성을 동시에 달성할 수 있음을 입증하 였다. 두 번째 연구에서는 NiFeCo(oxy)hydroxide 전극에 황을 도핑하여 HER 활성을 향상시켰다. S-NiFeCo/NF 전극은 황 도핑을 통해 전하 이동 촉진 효과를 얻었으며, –115 mV의 낮은 과 전압과 56 kJ mol-1의 낮은 활성화 에너지를 기록하였다. 또한 –100 mA cm-2의 조건에서 400시간 이상 0.13 mV h-1 수준의 열화율만을 보이며 우수한 안정성을 유지하였다. 종합적으로, 본 연구는 전기화학적 재구성과 이종원자 도핑을 통한 비귀금속 촉매의 활성·내 구성 동시 개선 전략을 제시하였으며, 이는 AEMWE 상용화에 적합한 고성능·저비용 수소 생 산 전극 개발에 실질적인 기여를 한다. 이러한 접근은 향후 친환경 수소 생산 기술의 대면적 화 및 실용화에 중요한 기술적 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was conducted with the aim of developing structural control and reaction activity enhancement strategies for non-precious metal electrocatalysts to enable high-efficiency hydrogen production. In particular, to address catalyst activity degradation and durability limitations that hinder the commercialization of anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE), two strategic approaches were proposed.
In the first study, an R–Ni–MoO2/C catalyst was developed by electrochemically reconstructing a Ni–MoO2/C-based cathode. Selective Mo dissolution under open-circuit voltage (OCV) conditions induced strong metal–support interactions between Ni and MoO2, thereby facilitating electron transfer and improving structural stability. As a result, the reconstructed catalyst exhibited a low overpotential and enhanced hydrogen evolution reaction (HER) activity compared to the pristine Ni–MoO2/C. In commercial-scale AEMWE operation with an active area of 200 cm2
, the system reached 200 A (1 A cm-2) at a cell voltage of 1.9 Vcell and produced approximately 1.26 L min-1 of hydrogen at 1.85 Vcell. Over 1,000 h of continuous operation, only a marginal voltage increase of 59 mV was observed, demonstrating that high efficiency and long-term durability can be simultaneously achieved without the use of precious metals. In the second study, sulfur was doped into a NiFeCo(oxy)hydroxide electrode to enhance HER activity. The S-NiFeCo/NF electrode benefited from sulfur-induced acceleration of charge transfer, exhibiting a low overpotential of −115 mV and a reduced activation energy of 56 kJ mol-1 . Moreover, under a current density of −100 mA cm-2 , the electrode maintained excellent stability for over 400 h with a minimal degradation rate of only 0.13 mV h -1
. Overall, this work presents effective strategies for the simultaneous enhancement of activity and durability of non-precious metal catalysts through electrochemical reconstruction and heteroatom doping. These results make a practical contribution to the development of high-performance, low-cost hydrogen production electrodes suitable for AEMWE commercialization. The proposed approaches also provide an important technological foundation for the large-scale implementation and practical deployment of sustainable hydrogen production technologies.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 수소 에너지 2
• 물 전기분해 이론과 과전압 4
• 산소 발생 반응(OER) 및 수소 발생 반응(HER) 메커니즘 6
• 수전해 장치 종류 9
• 제 2 장. 알칼리 전해질에서 고성능 상업용 규모 음이온 교환막 수전해를 위한
• 전기화학적으로 재구성된 니켈-몰리브덴 전기 촉매 11
• 2.1. 서론 11
• 2.2 실험방법 12
• 2.3 결과 및 고찰 15
• 2.4. 결론 34
• 제 3 장. 황을 도입한 전이금속 기반 전극에서의 향상된 수소 발생 반응 기술 개발 35
• 3.1. 서론 35
• 3.2. 실험방법 36
• 3.3. 결과 및 고찰 37
• 3.4. 결론 53
• 참고문헌 54
• Abstract 56