전지는 오래, 성능은 더 세게… 고려대, 차세대 수소연료전지 촉매 해법 제시[과학을읽다]

산소환원반응 한계 넘어… 고부하에서도 성능·내구성 동시 개선

수소연료전지의 성능 저하와 내구성 한계를 동시에 넘는 차세대 백금 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이광렬 고려대학교 화학과 교수 연구팀은 유성종 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀, 이상욱 성균관대학교 교수 연구팀과 공동으로 수소연료전지의 핵심 반응인 산소환원반응(ORR)에서 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 백금 기반 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 Advanced Materials에 1월 6일 온라인으로 게재됐다. 논문명은 "산소 결함 매개 계면 질서 제어를 통한 삼원계 Pt₃(Co,Mn)₁ 인터메탈릭 나노입자의 산소환원반응 성능 향상(Tailoring Interfacial Oxygen Vacancy-Mediated Ordering in Ternary Pt₃(Co,Mn)₁ Intermetallic Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction Reaction)"이다.

해당 연구에서 개발된 촉매의 형성과 작동 원리를 도식화한 그림. 왼쪽 그림은 산화물(MnO) 계면에서 생성되는 산소 결함이 촉매 내부 원자 배열을 유도해 기존에는 구현이 어려웠던 Pt-Co-Mn 삼원계 인터메탈릭 구조가 형성되는 과정을 보여준다. 오른쪽 위 그림은 실제 합성된 나노촉매는 원자 수준에서 균일한 구조를 유지하며 Mn, Co, Pt이 고르게 분포된 것을 확인할 수 있다. 오른쪽 아래 그림은 이런 구조적 특성은 높은 산소환원반응 활성과 우수한 내구성으로 이어져 실제 연료전지 조건에서도 기존 촉매를 뛰어넘는 성능을 달성했다. 연구진 제공

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하는 친환경 에너지 기술이지만, 음극에서 일어나는 산소환원반응의 느린 반응 속도와 장시간 구동에 따른 촉매 열화가 상용화의 핵심 걸림돌로 지적돼 왔다. 특히 기존 백금 기반 인터메탈릭 촉매는 구조적 안정성은 우수했으나, 원자 조성과 배열을 정밀하게 조절하는 데 한계가 있어 수소전기차와 같은 고부하 운전 조건에서는 성능과 내구성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

산소 결함 활용한 삼원계 백금 촉매로 돌파구

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 백금(Pt)-코발트(Co)-망간(Mn)으로 구성된 삼원계 인터메탈릭 나노촉매를 새롭게 설계했다. 촉매와 산화물 사이 계면에서 형성되는 산소 결함(oxygen vacancy)을 활용해 촉매 내부의 원자 배열을 제어하는 전략을 도입, 기존에는 구현이 어려웠던 삼원계 Pt 기반 인터메탈릭 구조를 안정적으로 구현하는 데 성공했다.

새롭게 개발된 촉매는 내부 전자 구조가 최적화돼 산소환원반응 활성과 장시간 내구성이 동시에 향상됐다. 전기화학 성능 평가 결과, 상용 Pt/C 촉매 대비 10배 이상의 질량 활성을 기록했으며, 15만 회 이상의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다.

왼쪽부터 박예지 고려대&KIST 박사(제1저자), 김도엽 고려대 화학과 박사과정(제1저자), 이상욱 성균관대 교수(교신저자), 유성종 KIST 박사(교신저자), 이광렬 고려대 화학과 교수(교신저자). 고려대 제공

아울러 막전극접합체(MEA) 적용 시험에서도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 성능 기준을 상회하는 결과를 보였다. 고부하 조건에서도 기존 촉매보다 높은 출력을 유지해 수소전기차는 물론 발전용 연료전지 등 다양한 응용 가능성을 입증했다.

이광렬 교수는 "이번 연구는 원자 수준에서 구조적 질서와 조성 설계를 동시에 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시한 것"이라며 "실제 연료전지 구동 조건에서도 성능과 내구성을 모두 검증해 차세대 수소연료전지 실용화를 한층 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 리더연구사업, 박사후 국내연수 사업, KIST 기관고유사업, H2Gather 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr