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음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 알칼라인 환경에서 작동해 고가의 백금족 촉매와 내식성 부품 의존도를 낮출 수 있는 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 그러나 알칼라인 조건에서는 물 분자의 결합을 끊어 수소 중간체를 만드는 초기 단계가 느리게 진행돼 수소 발생 반응의 과전압이 높아지고 에너지 효율이 저하되는 한계가 있다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 백금 대체 촉매로 주목받는 루테늄 기반 소재와 물 활성화 기능을 가진 티타니아를 결합한 RuO₂/TiO₂ 이종구조 촉매를 설계했다. 과산화수소 처리로 표면 결함을 도입한 아나타제 TiO₂ 나노입자 위에 RuCl₃ 전구체를 이용해 RuO₂ 나노입자를 수열 합성 방식으로 증착했다. 별도의 고온 열처리 없이도 루테늄 산화물과 티타니아가 긴밀하게 접촉한 이종계면을 형성했다.
개발된 촉매는 1 M KOH 전해질에서 일정 수준의 전류밀도에 도달하는 데 필요한 과전압이 6.6 mV에 불과했다. 이는 단독 RuO₂(79 mV)는 물론 상용 기준 촉매인 Pt/C(43 mV)보다도 우수한 성능이다.
이찬우 교수는 “루테늄-티타니아 계면에서 물 활성화와 수소 중간체 형성이 분리·협동적으로 일어나는 원리를 바탕으로 차세대 알칼라인 및 음이온 교환막 수전해 시스템에 적용 가능한 고효율 촉매 설계 전략을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
