자가 표면보호로 산화 억제한 Ti₂S 전자화물 지지체, 수소 발생·연료전지용 산소환원 모두서 높은 효율과 내구성 확인
성균관대학교 김성웅·한양대학교 한혁수 교수 연구팀이 공기 노출에도 스스로 보호막을 형성해 안정성을 유지하는 1차원 Ti₂S 전자화물을 활용해, 수소 발생 반응(HER)과 산소 환원 반응(ORR)에서 모두 우수한 성능을 보이는 이중기능성 전기촉매를 개발했다.
상용 Pt/C보다 높은 효율과 장시간 안정성을 보여 백금 촉매 대체 가능성을 제시했다.
연구팀은 전자가 풍부한 전자화물의 고유 장점을 살리되, 공기·수분에 약해 쉽게 분해되는 한계를 극복하는 데 주력했다.
개발된 1차원 Ti₂S 전자화물은 공기 중 노출 시 표면에 얇은 보호층이 자발적으로 형성되는 자가-표면보호(Self-passivation) 현상을 보이며 장기간 안정하게 유지됐다.
이를 백금 나노입자의 지지체로 사용했을 때, 전자화물의 낮은 일함수 덕분에 전자 전달이 원활해져 Pt 활성 부위의 반응성이 향상된 것으로 분석됐다.
실험 결과, Ti₂S 지지체 기반 Pt 촉매는 상용 Pt/C 촉매보다 HER과 ORR 모두에서 높은 반응 속도와 우수한 질량활성도를 기록했으며, 장시간 연속 작동에서도 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다.
연구진은 이 같은 내구성이 전자화물 표면의 자가 보호막 형성에 기인한다고 보고, 전자화물을 전극 소재로 활용하는 새로운 설계 가능성을 제시했다.
이번 성과는 공기에 노출되면 쉽게 분해되던 전자화물의 약점을 해결한 첫 사례로 평가된다.
연구를 이끈 김성웅 교수는 “이번 연구는 공기 중에서도 안정적인 전자화물 소재를 개발한 첫 사례로, 기존 소재의 단점을 완전히 극복했다”며 “수소 생산과 연료전지 기술의 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
연구팀은 향후 대면적 합성 및 실제 전극 공정 적용성 검증을 통해 상용화 가능성을 높일 계획이라고 밝혔다.