에너지 변환 및 생산을 위한 전기화학 반응을 기반으로 하는 많은 실질적인 장치들은 상온에서 작동하기 때문에 전기화학적 산화/환원 반응의 활성화 장벽을 낮추고 효율을 극대화하기 위하여 적절한 촉매 사용이 필수적입니다. 특히 최근에 주목받고 있는 수소는 무게가 가볍고 액화시켜 부피를 크게 줄일 수 있으며 결정적으로 저장과 운송이 용이하다는 장점이 있어 미래 에너지원으로 다양한 수소공급 장치가 개발되고 있습니다. 이러한 수소를 생산하는 여러 방법 중 친환경적으로 수소를 생산하는 방법인 ‘전기화학적 수전해’는 음극과 양극에서 각각 수소 및 산소발생반응(HER/OER)이 일어나는 방식을 가지고 있습니다. 수전해 반응에 있어서 cathode에서의 수소발생반응(HER)과는 달리, anode에서의 산소발생반응(OER)은 4개의 전자 이동이 수반되어야 하므로 더 높은 과전압 환경에서 일어날 수밖에 없습니다 (그림 1). 따라서 2020년 이후 최근 연구동향은 단순히 높은 활성도 달성보다는 큰 과전압 조건에서도 우수한 지속성과 내구성을 가지는 촉매 설계에 집중되고 있습니다.

anode에서의 산소발생반응(OER)이 일어나는 동안에는 강한 산화반응이 동반된다. 산화물에서 일정 수준 이상의 anodic potential이 가해지면 전이금속 양이온의 산화 뿐만 아니라 격자내 산소 음이온(O^2-)도 전자를 내주는 lattice oxygen 산화반응이 급격히 발생하게 됩니다. 이러한 부가적인 산화반응은 리튬이온전지 양극소재에서는 충전용량 향상에, OER 촉매소재에서는 촉매활성 향상에 각각 크게 기여할 수 있습니다. 하지만, 격자를 지탱하는 산소 음이온이 산소가스로 산화되어 빠져나가면 격자는 쉽게 붕괴되어 분해되므로 그 내구성이 급격하게 감소되는 문제를 피하기 어렵게 됩니다. 높은 촉매활성을 추구하기 위해서는 lattice oxygen 산화반응을 극대화해야 하는 반면, 구조적 안정성 측면에서는 이를 오히려 억제해야 하는 소위 “activity-durability conflict” 가 해결해야 할 가장 큰 문제 중 하나로 대두되고 있습니다.

이제까지 대부분의 연구는 내구성 향상을 위하여 단순 화학조성 변화와 도핑에 한정되어 있습니다. 이러한 방법은 손쉽게 수행하여 그 효과를 파악할 수 있으나 activity-durability conflict를 근본적으로 극복하는 대안이 되기는 어렵습니다. 따라서 본 연구에서 제안하는 소재 설계에서는 우선 OER 촉매로 널리 사용되는 기존의 산화물 결정구조에서 완전히 탈피하고자 합니다. 아울러 동적평형 이온 교환 방법을 통하여 강한 lattice oxygen 산화반응 조건에서도 해당 촉매의 기본 골격구조가 유지되는 제어기술을 제안하고자 합니다. 즉, lattice oxygen 산화반응이 적극 기여하는 고활성 조건에서도 격자 분해가 일어나지 않는 우수한 내구성을 제공하는 촉매소재 설계를 달성하는 것을 추구합니다. 이를 통하여 기존 소재에서 달성하기 어려운 내구성을 보일 수 있는 새로운 촉매소재 개발에 기여하는 것을 최종 목표로 삼고 있습니다.