본 학과의 김병현 교수님과 연구실 소속 김규찬 학생이 참여한 공동 연구팀(공동교신저자: KIST 이성호 박사, KIST 이영준 박사)이 수행한 차세대 수소 생산 촉매 연구 성과가 재료 및 과학 분야의 세계적 권위지인 'Advanced Science (IF: 14.1, JCR 상위 7%)'에 게재되었습니다.

공동 연구팀은 경제적인 그린 수소 생산을 위해 필수적인 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술에서, 기존 백금(Pt) 촉매의 높은 비용과 낮은 내구성 문제를 극복할 새로운 해결책을 제시했습니다. 연구팀은 전기방사(Electrospinning) 기술을 활용하여 이산화타이타늄(TiO₂)이 내장된 탄소 나노섬유(CNF)에 두 가지 유형의 로듐(Rh) 단원자(Rh-N_x 및 Rh-O_x)가 공존하는 획기적인 복합 촉매(Rh-TiO₂/CNF)를 개발하는 데 성공했습니다.

이번에 개발된 촉매는 로듐 이원 단원자 사이트의 시너지 효과를 통해 물 분해 반응의 에너지 장벽을 크게 낮췄으며, 그 결과 10 mA cm^-2에서 24 mV라는 매우 낮은 과전압을 기록했습니다. 특히, 실제 산업 환경과 유사한 싱글 셀(Single-cell) 평가에서 1 A cm^-2의 높은 전류 밀도를 달성하였고, 225시간 동안 성능 저하 없이 안정적으로 구동되는 뛰어난 내구성을 입증했습니다.

또한 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 이원 단원자 구조가 수소 흡착과 물 분해 반응 속도를 동시에 높이는 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이번 연구는 고가의 귀금속 사용량을 줄이면서 대용량 수소를 생산할 수 있는 고성능 수전해 스택의 상용화 가능성을 한 단계 앞당겼다는 점에서 큰 의미를 가집니다.

논문명: Synergistic Configuration of Binary Rhodium Single Atoms in Carbon Nanofibers for High-Performance Alkaline Water Electrolyzer
게재지: Advanced Science (2025년 1월 출판)
DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202413176