(좌측부터) 교신저자 – 한양대학교 ERICA 김병현 교수, 고려대학교 김용주 교수

한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 김병현 교수와 고려대 신소재공학부 김용주 교수, 고려대 부설 첨단소재부품개발연구소 김광수 박사, 독일 아헨공대 Matthew J. Wolf 박사로 구성된 국제 공동 연구팀이 인공지능(AI)과 계산과학을 결합해 차세대 해수 수전해용 ‘고엔트로피 합금(HEA)’ 촉매를 설계하는 데 성공했다.

그린 수소 생산의 핵심인 ‘수전해’는 물을 전기분해해 수소를 얻는 기술이다. 특히 바닷물을 직접 사용하는 해수 수전해는 자원이 무궁무진하지만, 해수 속 염화이온에 의한 부식과 낮은 반응 효율, 값비싼 귀금속 촉매 사용 등이 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 기술적 한계를 극복할 소재로 ‘고엔트로피 합금’에 주목했다. 고엔트로피 합금은 여러 원소가 뒤섞여 나타나는 독특한 시너지 효과 덕분에 기존 소재의 임계치를 뛰어넘는 탁월한 성능과 내구성을 기대할 수 있다. 하지만 무한에 가까운 원소 조합 중 최적의 성능을 내는 조합을 찾는 것은 기존 ‘시행착오’ 방식으로는 막대한 시간과 비용이 소요되는 난제였다.

이에 연구팀은 AI 기법인 ‘능동 학습’과 ‘제일원리 계산’을 결합한 지능형 설계 전략을 도입했다. 그 결과, 전체 조합(약 12만 2,500개)의 단 1.2%에 불과한 1,465개의 데이터만 학습하고도 전체 영역의 성능을 높은 정확도로 예측하는 데 성공했다.

연구팀은 이 모델을 통해 가격 경쟁력, 촉매 활성, 해수 환경 내 선택성을 모두 만족하는 ‘Ni-Cu-Pd-Ag-Pt’ 합금 조성을 도출했다. 그 결과, 양극(Anode)에서는 산소 발생 반응(OER)을 가속화하는 동시에 염소 발생 반응(CER)을 효과적으로 억제하는 구리(Cu) 고함량 합금이, 음극(Cathode)에서는 니켈(Ni) 고함량 합금이 탁월한 성능을 보이는 것으로 나타났다. 특히 이번에 개발된 촉매는 비귀금속 함량을 높여 생산 비용을 획기적으로 낮췄음에도 불구하고, 기존 고가 귀금속 촉매와 대등하거나 이를 뛰어넘는 효율을 입증했다.

한양대 ERICA 김병현 교수는 “방대한 탐색 영역에서 단 1.2%의 데이터만으로 최적의 소재를 찾아낸 것은 계산과학의 효율성을 극대화한 사례”라며 “이번 설계 전략은 그린 수소뿐만 아니라 다양한 에너지 장치의 소재 개발에도 혁신적인 가이드라인이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국 연구재단 STEAM 연구사업(RS-xxxx-xxxx3815)과 나노 및 소재기술개발사업(RS-xxxx-xxxx4435)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 『Chemical Engineering Journal』에 4월 11일 온라인 게재됐다.

해당 논문 「Active learning-driven multi-objective design of high-entropy alloy catalysts for saline water electrolysis」는 고려대 김광수 박사가 제1저자로, 독일 아헨공대 Matthew J. Wolf 박사가 공동 저자로, 한양대 ERICA 김병현 교수와 고려대 김용주 교수가 교신저자로 참여했다.