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양성자교환막 수전해(PEMWE) 기술은 높은 효율성을 갖췄지만, 고가의 백금(Pt) 촉매와 산성 환경에서의 불안정성이 상용화 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 15족 원소인 질소(N)·인(P)· 안티몬(Sb)을 각각 도핑한 그래피틱 나노플레이트(XGnPs, X = N, P, Sb)를 지지체로 활용해 촉매 활성도와 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공하고, 분석 결과 Sb가 도핑된 Pt@SbGnP 촉매가 가장 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다.

또한, 높은 전기양성도와 큰 원자 반지름, 독특한 궤도 특성을 가진 Sb가 Pt 나노입자에 전자를 효과적으로 전달하고, 강한 전자 금속–지지체 상호작용(EMSI)을 형성해 촉매 성능을 크게 끌어올렸으며, Pt 나노입자의 균일한 분산과 응집 억제를 통해 장기 안정성 개선에도 기여하는 것으로 나타났다.

특히 Pt@SbGnP 촉매는 낮은 과전압·우수한 안정성·높은 패러데이 효율 등에서 상용 Pt/C 촉매를 능가했으며, PEMWE 연료전지에서도 Pt/C보다 높은 전류 밀도를 기록해 실용화 가능성을 높여 지속 가능한 수소 생산을 위한 촉매 기술 혁신으로, 전 세계 친환경 수소 생산 기술 개발에 기여할 것으로 기대되고 있다.

전인엽 교수는 “이 연구는 이종 원소의 주기성에 기반한 촉매 설계 전략을 제시한 것으로, 차세대 친환경 수소 생산을 위한 고효율·고안정성 촉매 개발의 새로운 가능성을 열었다”고 말했다.

한편, 이번 연구에는 KIST 권도형 박사, 고려대 곽상규 교수· 울산과학기술원 백종범 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 연구팀은 향후 수소 생산의 효율성과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술 개발을 지속적으로 이어갈 계획이다./홍동기 기자