고전류 알카리 전해수와 CO₂ 환원을 위한 혁신적 CuNiFe 양극

초록

본 연구는 실온에서 유기 첨가제 없이 5분 만에 단일 단계 전극증착으로 제작한 Cu‑Ni‑Fe 트리메탈lic 양극을 소개한다. 30 wt% KOH 전해질에서 100 mA cm⁻²에서 과전압 <270 mV, 1 A cm⁻²에서 500 h 이상 안정적으로 작동한다. AEM‑WE 셀에서는 2.5 A cm⁻²를 2.5 V(전압 효율 66.8 %)에서 달성했으며, 상용 Cu 음극과 결합한 CO₂ 전해에서는 전류밀도가 3배 증가하고 다탄소 생성물 선택성이 향상된다. 전 과정 LCA 결과, 기존 IrRuO₂ 대비 탄소발자국이 10배 감소하고 환경 영향을 40‑60 % 절감한다.

상세 분석

본 논문은 알카리 물 전기분해와 CO₂ 환원 반응을 동시에 고성능·고안정성으로 구현할 수 있는 새로운 양극 소재를 제시한다. Cu, Ni, Fe 3종 금속 이온을 5 mM씩 혼합한 전해액에 30 mM H₂SO₄를 첨가하고, -100 mA cm⁻² 펄스 전류(ON 0.5 s, OFF 0.05 s)를 150 s 동안 적용함으로써 니켈 폼 기판 위에 CuNiFe 박막을 형성한다. 전구조 분석(XRD, TEM, HR‑TEM, EDS, XPS) 결과, Ni‑CuFe 산화물(NiCuFeO₂)과 금속 Cu, Ni‑Fe LDH가 혼합된 복합 상을 확인했으며, 입자 크기는 5‑20 nm, 평균 11 nm로 높은 비표면적을 제공한다. 전기전도도는 Cu 코어가 전자 전달 경로를 형성하고, Ni‑Fe LDH가 전해질과의 계면 전하 전달을 촉진한다는 구조‑기능 연관성을 제시한다. 전기화학적으로는 1 M KOH에서 100 mA cm⁻²에서 과전압 270 mV를 기록했으며, 이는 기존 Ni 메쉬(>400 mV)와 IrO₂‑GDE(>500 mV)보다 현저히 낮다. 전류 밀도 1 A cm⁻²에서 30 wt% KOH 전해질 하에 500 h 이상 전압 강하가 10 µV h⁻¹ 미만으로 거의 무변화를 보이며, ICP‑MS 분석에서 Cu, Ni, Fe 용출이 검출되지 않아 금속 부식이 억제됨을 확인했다. 또한, 전류 밀도 2.5 A cm⁻²에서 2.5 V(전압 효율 66.8 %)를 달성한 AEM‑WE 셀 테스트는 산업 수준 전류를 낮은 전압으로 구동할 수 있음을 입증한다. CO₂ 전해에서는 상용 Cu 음극과 조합했을 때 전류밀도가 3배 증가하고, C₂⁺(에틸렌, 에탄올 등) 선택성이 2배 이상 향상되었다. 이는 CuNiFe 양극이 전해질 내 OH⁻ 농도를 효과적으로 공급하고, 전극 표면에서 *CO 중간체의 재결합을 촉진하는 메커니즘으로 해석된다. 마지막으로, 전 과정 cradle‑to‑gate LCA는 CuNiFe 양극 제조·운전 단계에서 에너지 소비와 원료 사용이 낮아, 기존 IrRuO₂ 대비 탄소배출량이 10배 감소하고, 환경 영향 카테고리(기후변화, 광물 고갈, 인간 독성 등)에서 40‑60 % 개선됨을 보여 친환경성까지 확보한다. 전반적으로, 저비용·신속한 제조 공정, 뛰어난 전기화학적 성능, 장기 안정성, 그리고 환경적 이점을 동시에 만족시키는 CuNiFe 양극은 차세대 대규모 수소·탄소 중립 화학물 생산에 핵심적인 기술로 평가된다.