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1차원 전자화물 기반 고효율 이중기능성 전기촉매 개발 개략도 및 저널 커버 이미지.

번 연구는 수소 생산과 연료전지 반응에서 모두 뛰어난 성능을 내는 ‘이중기능성 전기촉매’ 기술로, 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 ‘Ti₂S 전자화물(electride)’이라는 특별한 물질을 활용했다. 전자화물은 전자가 풍부해 반응이 빠르지만, 대부분 공기나 물에 닿으면 쉽게 분해되는 문제가 있었다. 그러나 연구팀이 만든 1차원 Ti₂S 전자화물은 공기 중에 노출되면 표면에 얇은 보호막이 스스로 형성되는 자가-표면보호(Self-passivation) 현상을 보여, 쉽게 산화되지 않고 오랫동안 안정하게 유지됐다.

이 신소재를 백금 나노입자 촉매의 지지체로 활용하자, 기존 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매보다 수소 발생 반응(HER)과 산소 환원 반응(ORR) 모두에서 높은 효율을 보였으며, 장시간 사용에도 성능 저하가 거의 없었다.

이는 전자화물이 가진 낮은 ‘일함수(Work Function)’ 덕분에 전자가 백금으로 잘 이동해 반응이 더 활발해졌기 때문이다.

김성웅 교수는 “이번 연구는 공기 중에서도 안정적인 전자화물 소재를 개발한 첫 사례로, 기존 소재의 단점을 완전히 극복했다”며 “앞으로 수소 생산과 연료전지 기술의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업(도전형) 지원을 받아 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 Carbon Energy에 10월 28일자로 게재되었고 표지논문(Cover Paper)으로 선정됐다.

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