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2. 이리듐 대신할 루테늄 산소 발생 촉매, 친환경 수소 생산 돕는다
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   새로운 방식의 산소 발생 촉매로 물 분해 기술의 한계 극복 기대
   
   화학과 이효영 교수 · 리우 양, 위슈안 왕 연구원

화학과 이효영 교수 연구팀(제1저자 리우 양, 위슈안 왕)은 탄탈륨과 스트론튬을 도핑하고 인장 변형을 가한 새로운 루테늄 기반 촉매를 개발하였다. 이 촉매는 기존 상용 촉매뿐만 아니라 최근 보고된 최신 연구 성과와 비교해도 우수한 산소 발생 성능을 보여주며, 특히 높은 효율성과 안정성을 동시에 달성하여 이리듐을 대체할 수 있는 가능성을 입증했다.

그린수소를 생산하기 위해서는 물을 전기분해하여 수소와 산소를 분리해야 한다. 수소는 2전자가 관여하는 환원 반응으로 비교적 쉽게 생성되지만, 산소는 4전자가 참여하는 산화 반응이 필요해 반응성이 낮고 전극 안정성도 떨어진다. 이러한 이유로 현재까지는 고효율·고안정성을 동시에 충족시키는 이리듐 촉매의 사용이 불가피했다. 그러나 이리듐은 희소성과 고비용, 낮은 생산량으로 인해 대체 촉매 개발이 시급한 상황이었다.

연구팀은 루테늄을 대안으로 주목했다. 루테늄은 이리듐보다 지각 내 매장량이 풍부하고 가격이 낮다는 장점이 있지만, 전통적인 루테늄 산화물 촉매는 반응 과정에서 격자 산소가 참여해 안정성이 떨어지는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 루테늄과 산소 오비탈의 에너지 준위를 조절하여 격자 산소가 반응에 개입하지 않는 새로운 반응 경로를 설계했다. 인장 변형을 통해 전자 구조를 조정하고, 동시에 탄탈륨과 스트론튬 도핑으로 반응 효율을 크게 향상시킨 것이다.


이번 성과는 물 전기분해에서 가장 큰 병목으로 꼽히던 산소 발생 반응을 효과적으로 개선한 것으로, 루테늄 기반 저비용 촉매의 상용화 가능성을 한층 높였다. 연구팀은 이번 연구가 수전해 기술의 경제성을 향상시키고, 지속 가능한 탄소중립 사회로 전환하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대하고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구-중견연구(NRF−2022R1A2C2093415)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 연구의 우수성을 인정받아 전 분야 세계 최고(MULTIDISCIPLINARY SCIENCES, 10위)의 국제 학술지인 ‘Nature Communications’ 저널(IF:15.7)에 게재되었다.

※ 논문명: Effectiveness of strain and dopants on breaking the activity-stability trade-off of RuO2 acidic oxygen evolution electrocatalysts
※ 학술지: Nature Communications
※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56638-8