고려대 연구팀, 수소연료전지 성능 높이는 '삼원계 나노촉매' 개발

고려대학교는 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사, 성균관대 이상욱 교수 연구팀과 공동연구로 수소연료전지의 성능 저하와 내구성 문제를 동시에 해결하는 차세대 백금 기반 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 에너지 기술로, 연료전지의 음극에서 일어나는 산소환원반응에 의해 성능 및 내구성이 좌우된다.

하지만 이는 반응 속도가 느리고 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하는 문제가 있었다.

특히 기존의 백금 기반 인터메탈릭 촉매는 전자 구조를 정밀 제어하는 데 한계가 있었고, 수소전기차와 같은 고부하 운전 조건에서는 성능과 내구성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

연구팀은 이를 극복하고자 백금 기반 인터메탈릭 촉매의 고유한 구조적 안정성은 유지하면서도, 원자 조성과 전자 구조를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 전략을 제안했다.

이어 연구팀은 백금(Pt)–코발트(Co)–망간(Mn)으로 구성된 삼원계 인터메탈릭 나노촉매를 새롭게 설계했다.

촉매와 산화물 사이 계면에서 형성되는 산소 결함을 활용해 촉매 내부의 원자 배열을 제어함으로써 기술을 구현한 것이다.

그 결과 산소환원반응 활성과 내구성이 동시에 향상됐다.

전기화학 성능 평가에서는 상용 촉매 대비 10배 이상의 질량 활성을 기록했으며, 15만 회 이상의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다.

이광렬 교수는 "이번 연구는 원자 수준에서 구조적 질서와 조성 설계를 동시에 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시한 것"이라며 "차세대 수소연료전지의 실용화 가능성을 크게 높였다"고 강조했다.

한편 해당 연구는 재료·에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인에 지난 6일 게재됐다.