OER이란? 산소 발생 반응의 원리와 과전압, NiFe 촉매까지 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 수전해 양극에서 일어나는 OER(산소 발생 반응)이 무엇이고, 왜 수전해 성능을 좌우하는지 정리해 봤습니다.
한 줄로 답하면, OER은 수전해 양극에서 산소가 만들어지는 반응입니다. 전자 네 개가 단계별로 이동해야 하므로 수소 발생 반응에 비해 느리게 진행됩니다. 같은 양의 전기로 수소를 얼마나 만들 수 있는지도 양극 촉매가 이 반응을 얼마나 쉽게 일으키는지에 크게 달려 있습니다.
OER 핵심 정리 5가지
OER은 양극 반응입니다. 수소는 음극(HER), 산소는 양극(OER)에서 나옵니다.
전자 네 개가 네 단계로 옮겨 갑니다. 단계가 많아 느리고, 전압 손실이 큽니다.
과전압이 성능 지표입니다. 1.23 V보다 얼마나 더 걸어야 하는지를 봅니다.
산성에서는 이리듐, 알칼리에서는 니켈과 철을 씁니다. 전해질에 따라 사용할 수 있는 촉매가 달라집니다.
NiFe는 알칼리 OER에서 가장 많이 쓰이는 비귀금속 계열입니다. 철이 니켈의 활성을 크게 높입니다.
1. OER은 수전해 양극에서 산소가 나오는 반응입니다
물을 전기로 분해하면 음극에서 수소가, 양극에서 산소가 나옵니다. 음극 반응을 HER(수소 발생 반응, Hydrogen Evolution Reaction), 양극 반응을 OER(산소 발생 반응, Oxygen Evolution Reaction)이라고 합니다.
반응식은 전해질에 따라 다르게 씁니다.
전해질 | 양극 (OER) | 음극 (HER) |
|---|---|---|
알칼리 (알칼라인, AEM) | 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ | 4H₂O + 4e⁻ → 2H₂ + 4OH⁻ |
산성 (PEM) | 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ | 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂ |
어느 쪽이든 두 반응을 더하면 2H₂O → 2H₂ + O₂로 같습니다. 산소 분자 하나를 만들 때 전자 네 개가 움직이고, 그동안 수소 분자 두 개가 생깁니다.
알칼리 수전해에서는 음극에서 생긴 수산화 이온(OH⁻)이 전해질이나 음이온 교환막을 지나 양극으로 가고, 양극에서 OER에 쓰입니다. 수전해의 전반적인 원리는 수전해란? 물에서 수소를 만드는 기술의 원리, 종류, 미래에 정리해 두었습니다.
2. OER이 느린 이유는 네 단계를 거치기 때문입니다
HER은 전자 두 개가 이동하는 비교적 단순한 반응입니다. OER에서는 전자 네 개가 한 번에 이동하지 않고, 촉매 표면에 붙은 중간 물질을 거치며 한 개씩 이동합니다. 이를 설명할 때 가장 널리 쓰는 흡착물 경로에서는 금속 자리 하나에 중간 물질이 차례로 붙었다 떨어집니다. 알칼리 조건에서는 다음 네 단계로 나타내며, *는 촉매 표면의 자리를 뜻합니다.
* + OH⁻ → *OH + e⁻
*OH + OH⁻ → *O + H₂O + e⁻
*O + OH⁻ → *OOH + e⁻
*OOH + OH⁻ → * + O₂ + H₂O + e⁻
네 단계 가운데 가장 진행하기 어려운 단계가 전체 반응 속도를 결정합니다. 각 중간 물질이 촉매에 붙는 세기는 서로 연관돼 있습니다. 촉매가 *OH를 강하게 붙잡으면 *OOH도 비슷하게 붙잡기 때문에 한 단계를 쉽게 만들면 다른 단계가 어려워집니다. 계산 연구에서는 이러한 관계 때문에 이상적인 촉매라도 이 경로에서는 약 0.37 V의 과전압이 남는다고 봅니다(Man et al., 2011).
산성과 알칼리는 반응 식이 다릅니다
같은 흡착물 경로라도 산성과 알칼리에서는 반응에 쓰이는 물질과 생성되는 물질이 다릅니다.
단계 | 산성 (PEM) | 알칼리 (알칼라인, AEM) |
|---|---|---|
1 | H₂O + * → *OH + H⁺ + e⁻ | OH⁻ + * → *OH + e⁻ |
2 | *OH → *O + H⁺ + e⁻ | *OH + OH⁻ → *O + H₂O + e⁻ |
3 | *O + H₂O → *OOH + H⁺ + e⁻ | *O + OH⁻ → *OOH + e⁻ |
4 | *OOH → * + O₂ + H⁺ + e⁻ | *OOH + OH⁻ → * + O₂ + H₂O + e⁻ |
두 조건에서 거치는 중간 물질(*OH, *O, *OOH)과 RHE 기준 평형 전위 1.23 V는 같습니다. 차이는 크게 두 가지입니다. 산성에서는 물 분자에서 양성자(H⁺)를 떼어 내야 하고, 알칼리에서는 수산화 이온(OH⁻)을 직접 받으므로 반응 속도를 정하는 요인도 달라집니다. 촉매 표면 역시 전해질에 따라 달라집니다. 알칼리에서 니켈은 옥시수산화 니켈(NiOOH)로, 산성에서 이리듐은 물을 머금은 산화물로 바뀐 상태에서 반응하기 때문에, 같은 원소라도 전해질에 따라 다른 메커니즘이 제안됩니다.
다른 경로도 제안돼 있습니다
최근 연구에서는 흡착물 경로 외에 다음 두 경로도 많이 다룹니다.
경로 | 핵심 | 의미 |
|---|---|---|
격자 산소 경로 | 촉매 결정 속의 산소 원자가 반응에 직접 참여해 O–O 결합을 만듭니다 | *OOH를 거치지 않아 흡착물 경로의 한계보다 낮은 과전압이 가능하다고 봅니다. 대신 격자 산소가 빠져나가면서 촉매가 녹거나 구조가 바뀌기 쉽습니다 |
산소 직접 결합 경로 | 가까이 붙은 두 금속 자리의 *O 두 개가 바로 O₂로 결합합니다 | 역시 *OOH를 건너뜁니다. 서로 다른 금속 두 개가 이웃한 자리에서 주로 제안됩니다 |
RHE 기준 전위가 같아도 pH에 따라 활성이 달라지는 현상은 격자 산소 경로의 근거로 제시됩니다(Grimaud 외, 2017). 촉매별로 어떤 경로가 주로 작동하는지는 아직 논쟁 중입니다. NiFe 촉매에서도 철 자리에서 반응한다는 설명, 니켈 자리에서 반응한다는 설명, 두 자리가 함께 작동한다는 설명이 모두 제안돼 있습니다.
장비에 쓸 촉매를 검토할 때는 반응 경로가 안정성에 미치는 영향도 살펴야 합니다. 활성이 특히 높게 보고된 촉매라도 격자 산소가 반응에 참여하면 장시간 운전 중 구조가 바뀌어 활성이 떨어질 수 있습니다. 초기 활성과 장시간 측정 결과를 함께 확인하셔야 합니다.
수전해 셀에서 촉매 반응에 따른 전압 손실은 대체로 양극의 OER 쪽이 음극의 HER보다 큽니다. 양극 촉매의 선택이 수전해 성능에 큰 영향을 주는 것도 이 때문입니다.
3. 과전압과 타펠 기울기로 OER 성능을 읽습니다
물 분해에 필요한 최소 전압은 25 °C에서 1.23 V입니다. OER만 떼어 보면 RHE(가역 수소 전극) 기준 1.23 V에서 반응이 평형을 이룹니다. 실제로 산소가 나오게 하려면 이보다 높은 전압을 걸어야 하는데, 그 차이를 과전압이라고 합니다.
지표 | 뜻 | 읽는 법 |
|---|---|---|
과전압 (η) | 1.23 V보다 더 걸어야 하는 전압 | 낮을수록 좋습니다. 같은 전류밀도에서 비교합니다 |
10 mA/cm²에서의 과전압 | 논문에서 흔히 쓰는 비교 기준점 | 실험실 촉매 비교용이고, 수전해 운전 전류밀도보다 훨씬 낮습니다 |
타펠 기울기 | 전류를 10배 늘릴 때 더 필요한 전압 (mV/dec) | 작을수록 전류를 올려도 전압이 덜 오릅니다 |
과전압 비교에서 10 mA/cm²를 기준으로 쓰는 것은 촉매를 같은 조건에서 비교하려는 관행입니다(McCrory et al., 2013). 실제 수전해 스택은 수백 mA/cm² 이상에서 운전하기 때문에, 이 조건에서 과전압이 낮다고 스택에서도 같은 성능을 기대하기는 어렵습니다.
타펠 기울기도 조건을 함께 봐야 합니다. 어느 전류 구간에서 구했는지, 용액 저항을 빼고 계산했는지(iR 보정), 박막 촉매인지 실제 크기의 전극인지에 따라 값이 크게 달라집니다. 측정 조건을 확인하지 않고 숫자만 비교하면 성능을 잘못 판단하기 쉽습니다.
4. 산성에서는 이리듐, 알칼리에서는 니켈과 철을 씁니다
OER이 일어나는 양극은 산화가 가장 심한 곳입니다. 촉매는 반응을 잘 일으키면서도 이런 환경에서 녹지 않고 견뎌야 합니다.
구분 | 산성 (PEM) | 알칼리 (알칼라인, AEM) |
|---|---|---|
주로 쓰는 OER 촉매 | 이리듐 산화물 | 니켈, 철, 코발트 계열 산화물과 수산화물 |
이유 | 산성에서 산소를 발생시키며 안정하게 유지되는 산화물은 사실상 이리듐 계열뿐입니다 | 알칼리에서는 니켈과 철이 녹지 않고 안정합니다 |
부담 | 이리듐은 생산량이 매우 적고 비쌉니다 | 귀금속이 필요하지 않습니다 |
PEM 수전해가 이리듐을 쓰는 이유와 대안은 PEM 수전해란?에, 촉매 종류 전체는 수전해 촉매란에 정리했습니다. AEM 수전해가 알칼리 환경을 쓰는 이유도 여기에 있습니다. 고체막을 사용하면서 니켈과 철 촉매로 OER을 일으킬 수 있습니다.
5. NiFe가 알칼리 OER에서 잘 되는 이유
NiFe는 니켈(Ni)과 철(Fe)을 함께 쓴 촉매를 말합니다. 알칼리 OER에서 가장 많이 연구되고 실제로도 많이 쓰이는 비귀금속 계열입니다.
니켈 수산화물은 알칼리에서 전압을 올리면 먼저 옥시수산화 니켈(NiOOH)로 바뀌고, 이 상태에서 OER이 일어납니다. 니켈에 철을 조금 섞으면 니켈만 쓸 때에 비해 활성이 크게 높아집니다. 전해액 속 미량의 철만으로도 니켈 촉매의 활성이 높아진다는 보고가 있습니다(Trotochaud et al., 2014). 철이 반응 자리의 전자 상태를 바꾸면서 중간 물질이 적절한 세기로 붙도록 조절하는 것으로 설명합니다.
NiFe 촉매를 이야기할 때 자주 나오는 LDH(층상이중수산화물, Layered Double Hydroxide)는 이 촉매의 구조 이름입니다. 니켈과 철이 섞인 수산화물이 얇은 층을 이루고, 층 사이에 음이온과 물이 들어 있습니다. 층이 얇아 반응할 수 있는 표면이 넓고, 층 사이로 이온이 드나들기 쉽습니다.
실제 전극을 고를 때는 촉매 활성과 함께 기재에 얼마나 단단히 붙어 있는지도 확인해야 합니다. 장시간 운전 중 촉매가 떨어지거나 성분이 빠져나가는지는 전극 수명에 영향을 줍니다. 촉매를 입자로 바른 전극과 기재 위에 직접 키운 전극의 차이는 수전해 양극, 초기 성능만 보고 고르면 안 되는 이유에 따로 정리했습니다.
6. OER 성능은 이렇게 측정합니다
촉매의 OER 성능은 보통 3전극 셀로 측정합니다. 측정할 전극(작업 전극), 전류를 받아 주는 상대 전극, 전위의 기준이 되는 기준 전극으로 구성됩니다. 양극만 따로 평가하므로 반쪽 셀(half-cell) 측정이라고도 합니다.
확인할 조건 | 이유 |
|---|---|
전위 기준 (RHE로 환산했는지) | 기준 전극마다 전위가 달라 환산하지 않으면 비교할 수 없습니다 |
전해액 농도와 온도 | 같은 촉매라도 KOH 농도와 온도에 따라 과전압이 달라집니다 |
iR 보정 여부 | 용액 저항을 뺐는지에 따라 과전압이 수십 mV 달라집니다 |
면적 기준 | 기하 면적인지 실제 표면적인지에 따라 전류밀도가 달라집니다 |
측정 시간 | 첫 측정값과 몇 시간 뒤 값이 다를 수 있습니다 |
반쪽 셀에서 성능이 좋게 나와도 실제 셀에서는 막, 이오노머, 접촉 저항의 영향이 더해져 전압이 달라집니다. 시험 결과가 데이터시트와 다를 때 확인할 순서는 수전해 측정값이 데이터시트와 다를 때에 정리했습니다.
저희 HXP-an은 니켈 폼 위에 NiFe LDH를 직접 키운 OER 양극입니다. 귀금속을 쓰지 않았고, 3전극으로 측정한 OER 분극 곡선과 측정 조건은 제품 페이지에 있습니다.
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자주 묻는 질문 (FAQ)
OER과 HER은 무엇이 다른가요?
OER은 양극에서 산소가 나오는 반응이고, HER은 음극에서 수소가 나오는 반응입니다. OER은 전자 네 개가 네 단계로 옮겨 가고, HER은 전자 두 개로 끝나 상대적으로 빠릅니다. 그래서 촉매 반응에서 생기는 전압 손실은 대체로 OER 쪽이 더 큽니다.
OER 과전압은 얼마면 좋은 편인가요?
비교하는 조건에 따라 다릅니다. 논문에서는 10 mA/cm²에서의 과전압을 흔히 비교하지만, 실제 수전해 운전 전류밀도는 그보다 훨씬 높습니다. 숫자를 비교할 때는 전해액 농도, 온도, iR 보정, 면적 기준이 같은지부터 확인하셔야 합니다.
NiFe는 무슨 뜻인가요?
니켈(Ni)과 철(Fe)을 함께 쓴 촉매를 말합니다. 알칼리 OER에서 가장 많이 쓰이는 비귀금속 촉매 계열이고, 층상이중수산화물(LDH) 구조로 만드는 경우가 많습니다.
OER 메커니즘은 하나뿐인가요?
아닙니다. 가장 널리 쓰는 설명은 중간 물질 *OH, *O, *OOH를 차례로 거치는 흡착물 경로이고, 촉매의 격자 산소가 참여하는 격자 산소 경로와 이웃한 두 자리의 산소가 바로 결합하는 경로도 제안돼 있습니다. 산성과 알칼리에서는 같은 경로라도 반응 식과 촉매 표면이 다릅니다.
왜 PEM 수전해는 NiFe를 쓰지 못하나요?
PEM은 산성 환경이라 니켈과 철이 녹아 버립니다. 산성 양극에서 산소를 발생시키며 안정하게 유지되는 산화물이 사실상 이리듐 계열뿐이어서 PEM은 이리듐을 씁니다.
OER 촉매만 바꾸면 수전해 효율이 올라가나요?
양극 과전압이 줄어드는 만큼 셀 전압이 내려갑니다. 셀 전압은 양극 촉매 외에도 막과 전해질의 저항, 접촉 저항, 음극 반응의 영향을 받습니다. 오래 운전했을 때 활성이 유지되는지도 같이 보셔야 합니다.