양성자 교환막 수전해(PEMWE)는 낮은 에너지 소비, 높은 효율, 높은 수소 순도 및 넓은 전력 변동에 대한 신속한 응답 특성으로 인해 친환경 수소 발전의 핵심 방향으로 부상했으며, 재생 에너지의 간헐성과 본질적으로 호환됩니다. 그러나 이 기술, 특히 애노드 측은 귀금속 이리듐(Ir) 촉매에 크게 의존하며 사용량이 많아 대규모 적용을 가로막는 주요 병목 현상 중 하나가 되었습니다. 귀금속 사용량을 무턱대고 줄이면 활성 부위가 급격히 감소하고 얇은 촉매층 구조가 붕괴되며 전자 전도 경로가 차단될 수 있습니다. 따라서 Ir 기반 촉매의 사용량을 획기적으로 줄이는 것(≤0.5mgIr cm⁻²)은 PEM 수전해의 규모 확대를 위한 주요 과제입니다.
이 문제를 해결하기 위해 중국과학원 상하이 고등연구원의 양후이(Yang Hui) 연구원 팀은 닝보 중커 케추앙(Ningbo Zhongke Kechuang) R&D 팀과 협력하여 중요한 진전을 이루었습니다. Nb₂O₅ 지지체 재료에 미량의 세륨(Ce) 원자를 균일하게 도입하고 초미세 IrOx 나노입자(<2 nm)를 표면에 담지함으로써, 강한 금속 산화물-지지체 상호작용을 갖는 담지형 Ir 기반 촉매(IrOx@Ir/Ce-Nb₂O₅)를 성공적으로 구축했습니다.
보고에 따르면, 지지체 재료에 Ce 원자를 도핑하면 지지체와 활성 중심 간 전자 전달 능력이 향상될 뿐만 아니라 Ir/IrOx 활성 물질의 격자 무결성이 보존되어 촉매 활성의 급격한 저하를 효과적으로 방지합니다. 성능 테스트 결과 이 촉매는 산성 산소 발생 반응 과전압이 275 mV@10 mA cm⁻²에 불과하며 실제 막 전극 작동 조건에서 뛰어난 활성과 안정성을 보여줍니다. 현재 낮은 담지량(0.3mgIr cm⁻²)에서 장기 내구성 테스트가 진행 중이며, 이는 PEM 수전해의 비용 절감, 효율 향상 및 대규모 적용을 위한 중요한 기술 기반을 마련하고 있습니다.
