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전북대학교 지역혁신선도연구센터(RLRC) 패트릭 박사후연구원이 물리학과 조덕용 교수와 공동으로 차세대 수전해 전기촉매 물질인 'FeMn(NbTa)₂O₆ 콜럼바이트(columbite)'를 개발했다
이번에 개발된 FeMn(NbTa)₂O₆ 콜럼바이트 촉매는 철(Fe), 망간(Mn), 탄탈럼(Ta), 나이오븀(Nb)과 같은 비교적 저렴한 비귀금속을 기반으로 한 전기촉매로, 음이온 교환막 수전해 시스템(AEMWE)에서 상용화된 귀금속 촉매(Pt/C-RuO₂)와 유사한 성능을 보이며 지속 가능한 수소 생산의 가능성을 열었다.
연구팀은 특히 이 촉매가 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER)을 모두 안정적으로 수행할 수 있는 ‘OER-HER 겸용 전기촉매’임을 실험으로 입증했다. 전통적으로 고가의 백금(Pt), 루테늄(Ru) 기반 촉매에 의존했던 수소 생산 기술을 대체할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.
Fe와 Mn은 산화-환원 반응을 직접 주도하며 OER 반응을 효과적으로 유도하고, Nb와 Ta는 전자 구조를 조절해 산소 발생 반응(OER)의 활성화 에너지를 낮추는 핵심 역할을 한다. 연구팀은 이를 in-situ X선 흡수 분광(XAS) 분석과 밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 과학적으로 규명했다.
분석 결과, Fe/Mn 사이트는 낮은 과전압과 유리한 O → OOH 반응 에너지 덕분에 우수한 산소 발생 반응(OER) 활성을 나타낸다. 반면, Nb/Ta 사이트는 전하 전달을 촉진하고 활성화 에너지를 낮추며 촉매의 안정성을 향상시키는 역할을 한다.
이번 연구 성과는 고가의 귀금속 의존도를 낮추고, 수소에너지 및 연료전지, 친환경 전기화학 시스템 등 다양한 에너지 전환 분야에 활용될 수 있는 고효율 전기촉매 개발의 가능성을 보여주는 중요한 이정표로 평가된다.
한편, 이 연구 성과는 에너지 소재 분야의 세계적 권위 학술지 Advanced Energy Materials(2023년 영향력지수 IF: 24.4) 최신 온라인판에 게재됐다.
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