성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 김성웅 교수와 한양대학교 신소재공학부 한혁수 교수 연구팀이 공기 중에서도 스스로 안정성을 유지하는 새로운 전기촉매 소재를 개발했다. 이번 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 보였다. 특히 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 수행됐다. 논문은 에너지 분야 국제학술지 Carbon Energy에 10월 28일자로 게재됐으며, 표지논문(Cover Paper)으로 선정됐다.