최근 화석 연료의 고갈 문제와 환경 문제로 인해 친환경적인 대체 자원에 대한 요구가 증가하고 있다. 그 중 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)는 대체 에너지 장치로써 다양한 연구가 진행되고 있다. 상업적으로 개발된 PEMFC 전극 촉매의 경우 탄소계 물질을 지지체로 한 백금 촉매가 주로 사용된다. 탄소계 물질은 높은 비표면적과 전기전도성 등의 장점으로 전극 촉매의 지지체로 이용되지만, 작동 환경에서 부식되는 등 내구성이 낮은 단점이 있다. 이는 백금 나노 입자의 응집 및 탈착 등을 일으켜 전지 성능을 저하시킨다.
전지의 내구성을 향상시키기 위해 전기적, 화학적 안정성을 띈 물질로 대표적인 전이 금속 산화물 (WO₃, SnO₂, TiO₂ 등)이 새로운 지지체로 제시되고 있다. 그 중 TiO₂는 PEMFC 작동 환경에서 화학적, 전기적으로 매우 안정하며, 백금 입자와의 강한 상호작용으로 차세대 전극 물질로써 주목받고 있다. TiO₂는 낮은 전기전도성과 비표면적 등의 단점이 있어 다른 전이금속 (Nb, V, Mo 등)을 도핑하여 전기전도성을 향상시키기 위한 연구가 진행되어 TiO₂ 기반 지지체의 가능성을 제시하였지만, 기존 탄소 지지체 기반 전극 촉매에 비해 현저히 낮은 성능을 보인다.
본 연구에서는 탄소 나노 튜브 (CNT)와 TiO₂를 합성하여 TiO₂ 기반 지지체의 전기전도성을 향상시켜 기존 촉매에 근접하는 활성과 높은 내구성을 갖는 전극 촉매 물질 개발을 목표로 하였다. CNT와 TiO₂는 수열합성법으로 합성하였으며, niobium 전구체를 추가하여 Nb 도핑된 TiO₂-carbon nanotube 복합 지지체를 합성하였다. 합성된 지지체는 다양한 분위기에서 열처리를 거쳐 결정성을 제어하며 oxygen vacancy를 유도하였다. 백금 담지는 포름산을 이용한 함침법을 이용하였다. XRD, XPS와 TEM으로 합성한 촉매의 물리적 특성을 분석하고, 반쪽 전지 시험과 단위 전지 시험을 통해 전극 촉매의 활성 및 내구성 등 전기화학적 특성을 조사하였다.