KAIST, 수소 생산·연료전지 동시 개선…효과 뚜렷

[이한영 기자]

초박막 이리듐 나노시트 생성 이미지

수소 에너지 기술의 성능을 좌우하는 핵심은 촉매다. 수소를 만들고 전기를 생산하는 모든 과정에서 촉매의 효율과 내구성이 곧 비용과 직결된다. 기존 상용 촉매는 만들기 쉬운 알갱이 형태가 주를 이뤘지만, 반응에 참여하는 면적이 제한적이고 귀금속 사용량이 많다는 구조적 제약을 안고 있었다.

KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀은 촉매 재료가 아닌 구조 자체를 바꾸는 방식으로 해법을 제시했다. 알갱이 대신 종이처럼 얇은 초박막 나노시트 구조를 도입해, 같은 양의 귀금속으로 더 넓은 반응 면적을 확보했다.

▲ 연구팀 왼쪽부터 KAIST 양현우 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정

연구팀이 개발한 이리듐 나노시트는 지름 1~3 μm, 두께 2 nm 이하 수준이다. 이 구조를 수전해 촉매에 적용한 결과, 상용 촉매보다 수소 생산 속도가 38% 향상됐다. 1 A/cm²의 고부하 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동하며, 이리듐 사용량을 약 65% 줄인 상태에서도 동일한 성능을 유지했다.

또 전기 전도성이 낮아 활용이 제한됐던 산화티타늄 위에 나노시트들이 서로 연결되도록 설계해, 전기가 흐를 수 있는 경로를 자연스럽게 형성했다. 이를 통해 안정성과 내구성을 갖춘 새로운 촉매 지지 구조도 함께 구현했다.

초박막 나노시트 합성 모식도와 제작된 촉매의 투과전자현미경 이미지

이 설계 전략은 연료전지 촉매에도 적용됐다. 백금-구리 초박막 나노시트 촉매는 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐고, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 5만회 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지하며 내구성에서도 차이를 보였다. 백금 사용량을 약 60% 줄인 조건에서도 동일한 성능을 구현했다.

조은애 교수는 "형태 설계를 통해 귀금속 사용량과 성능의 균형을 새롭게 정의했다"며 "수소 에너지의 비용 구조를 낮추고 산업 적용 가능성을 넓히는 계기가 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 수소 생산용 촉매와 연료전지용 촉매로 나눠 국제 학술지에 각각 게재됐다. 산업통상자원부와 과학기술정보통신부 지원을 받아 수행됐다. /대전=이한영기자

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