사진=고려대

고려대학교 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수소연료전지의 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 차세대 합금 촉매 개발에 성공했다고 18일 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료·에너지 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 온라인에 11월 4일 게재됐다. 저널 표지 논문으로 선정됐다. 이번 연구는 리더연구사업, 현대자동차 산학과제, KIST 등의 지원을 받아 수행됐다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 만드는 기술로, 미래 수소 경제를 이끌 친환경 기술로 주목받고 있다고 설명했다. 연료전지의 음극에서 일어나는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR) 촉매는 성능과 내구성을 결정하며 여전히 개선이 필요하다는 것.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘원자 격자 속 무작위 배치(Inter-Sublattice Random, ISR)’라는 새로운 전략을 도입했다. Pt-코발트(Co) 규칙 구조에서 Co 일부를 니켈(Ni)로 대체해 원자 배열의 질서를 유지하면서 전자 구조와 표면 반응을 조절할 수 있도록 했다.

연구팀은 이런 이종 에피택시 성장(heteroepitaxial growth) 기법을 활용해 Pt-Co 규칙 격자 내부에 Ni을 정밀하게 도입했다. 그 결과 Co/Ni이 무작위로 섞인 Pt-Co-Ni 세 가지 금속으로 구성된 인터메탈릭 나노촉매를 합성하는데 성공했다.

실험 결과 이 촉매는 전기화학 성능 평가에서 상용 Pt/C 촉매보다 질량 활성이 10배 이상 높았고, 15만 회 이상 가속 내구성 시험 후에도 처음 성능의 96% 이상을 유지했다. 실제 연료전지 적용 시험에서도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 기준을 넘는 성능을 보였으며, 고부하 조건에서도 기존 Pt/C보다 높은 출력을 유지해 수소차와 발전용 연료전지에 적용할 수 있는 가능성을 입증했다.

고려대 이광렬 교수는 “개발된 나노 촉매를 통해 원자 수준에서 구조적 질서와 조성적 무질서를 융합해 기존 백금 합금 촉매의 한계를 극복했다”며 “상용화 가능한 수준의 성능과 내구성을 동시에 확보한 만큼 차세대 수소 연료전지 기술 발전에 기여할 것”이라고 말했다.