수소에너지는 물로부터 공급이 가능해 자원이 풍부하고, 친환경적이며 높은 에너지밀도(120 MJ/kg)를 갖는 장점으로 인해 화석 연료를 대체할 차세대 에너지원으로서 주목을 받고 있다. 수소생산 기술은 다가올 수소사회 구현을 위해 선행개발 되어야할 기술로, 현재는 대부분 천연가스 개질 등 화석연료 기반의 수소 생산방법이 사용되고 있다. 그러나 이 방식은 환경오염물질을 배출하는 한계점을 가지고 있어 이를 대체할 친환경적인 수소생산 방법 개발이 필요한 상황이다. 수전해 기술은 물을 전기분해 하여 수소를 생산하는 친환경적인 수소생산방식으로 주목을 받고 있으며, 재생에너지와 연계한 P2G(power to gas) 시스템으로 활용될 것으로 예측되고 있다. 알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용한 수소생산 시스템으로, 고가의 귀금속 촉매를 사용해야하는 다른 수전해 방식과 달리, 상대적으로 저렴한 비귀금속을 전극 촉매로 사용할 수 있어 가격 경쟁력을 가지며, 대용량 시스템에 적합해 주목받고 있다. 알칼라인 수전해는 Anode에서의 산소 발생 반응, Cathode에서의 수소 발생 반응으로 이루어져 있으며, 각 전극에서의 반응효율을 높이기 위한 촉매개발 연구가 수전해 시스템 상용화를 위해 필요한 상황이다. 수전해 전극 촉매로는 Ni, Fe, Co, Mo와 같은 비귀금속이 많이 연구되고 있고, 2원계 또는 3원계 합금 촉매 제조를 통해 촉매 활성을 높이는 연구가 활발하게 진행되어오고 있다. 특히, Ni 및 Co 기반 합금 촉매는 높은 활성과 내구성을 가지는 것으로 알려져 있다. Ni 기반 촉매 중, Ni-Fe 합금 촉매는 우수한 활성을 갖는 것으로 많이 보고되었으며, 최근에는 Ni-Fe 합금 기반의 3원계 합금 촉매를 만드는 연구가 많이 진행되고 있다. 3원계 합금촉매 중, Ni-Fe-Cr 합금 촉매는 높은 촉매 활성을 갖는 것으로 보고되었으며, Ni Foam, Cu nanoarray를 활용한 multi-step으로 제조한 촉매들이 보고되었다. Co 기반의 합금 촉매의 경우, CoP, CoN 등 많은 2원계 합금 촉매 연구가 진행되었으며, 최근에는 Se과의 합금화를 통한 chalcogenide 합금에 대한 연구가 보고되었다. 이와 관련하여 glassy carbon, Ti mesh를 지지체로 활용한 전해도금 촉매들이 보고된 바 있다. 현재 보고된 Ni 및 Co 합금 촉매의 경우, 촉매 성능 향상을 위한 전략으로 메탈 및 카본 등의 지지체를 이용하여 다공성 구조를 제작하는 연구들이 보고되었으나, 이는 제조과정이 복잡할 뿐 아니라, 제조시간이 오래 걸리기 때문에 수전해 기술의 양산을 고려할 때 많은 한계점을 갖는다.
본 연구에서는 촉매 제조공정이 간단하고 빠른 전해도금방법을 활용하여, 지지체 없이도 고표면적을 갖는 다공성 Ni-Fe-Cr 및 Co-Se 합금 촉매를 제조하고자 하였다. Ni-Fe-Cr 합금 촉매는 다공성 구조 형성을 위해 유기첨가제인 NH₄Cl, 균일 전착을 위해 Glycine을 첨가하여 다공성 구조를 갖는 촉매를 제조하였고, 도금액 조성, 전류밀도, 도금시간 등 공정조건을 최적화하여 기공도를 향상시켰다. 제조된 Ni-Fe-Cr 합금은 SEM 분석을 통해 4.3 um의 기공을 갖는 다공성 구조를 확인하였으며, XRD 및 TEM 분석을 통해 다결정 상을 나타내며, Ni2.9Cr0.7Fe0.36, Ni2.2Fe1.8, Ni1의 결정구조로 이루어져 있음을 확인하였다. Co-Se 합금 촉매는 다공성 구조 형성을 위해 유기첨가제인 Sodium citrate를 조절하여 다공성 구조를 갖는 촉매를 제조하였으며, 도금액 조성, 전류밀도, 도금시간을 최적화하여 기공도를 향상시켰다. 제조된 Co-Se 합금은 SEM 분석을 통해 8.1 um 크기의 기공을 갖는 다공성 구조를 확인하였으며, XRD 및 TEM 분석을 통해 균일한 비정질의 미세구조를 갖는 촉매가 제조되었음을 확인하였다. Ni-Fe-Cr 및 Co-Se 합금 촉매는 CV를 이용하여 1 M KOH에서 산소 및 수소 발생 반응시의 촉매 활성을 측정하였다. Ni-Fe-Cr 합금 촉매는 산소 및 수소 발생 반응에 대한 활성 평가 결과, 10 mA/cm²에서 각각 234 mVRHE, 13 mVRHE의 낮은 과전압을 보였으며, 24 시간 내구성 평가(V-T test) 결과, 0.4 %이하의 성능 감소율로 높은 안정성을 나타냈다. Co-Se 합금 촉매는 산소 및 수소 발생 반응에 대한 활성 평가 결과 10 mA/cm²에서 각각 220 mVRHE, 113 mVRHE의 낮은 과전압을 보였고, 24 시간 내구성 평가(V-T test) 결과, 3 %이하의 성능 감소율을 보여 높은 안정성을 가짐을 확인하였다.