'종이처럼 펼친 촉매 적용' KAIST, 초박막 수소 생산 및 연료전지 성능 동시 높여

지금껏 수소 에너지의 '엔진'인 촉매는 귀금속을 비효율적으로 쓰고, 수명이 짧다는 한계가 있었다. 이런 가운데 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 기존 알갱이 대신 종이처럼 얇은 시트 구조를 도입한 '형태의 혁신'으로 귀금속 사용량을 줄이면서 수소 생산 및 연료전지 성능을 동시에 높였다.

KAIST는 조은애 신소재공학과 교수팀이 이같은 성과를 거뒀다고 21일 밝혔다.

연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇게 펼쳐, 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터(㎛), 두께 2나노미터(㎚) 이하 초박막 이리듐 나노시트를 개발했다.

초박막 나노시트 합성 모식도와 제작 촉매 투과전자현미경 이미지

이로써 같은 양 이리듐으로도 반응 참여 면적을 크게 늘리고 적은 금속으로도 더 많은 수소를 만들 수 있게 됐다. 또 기존에는 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트기반 '전기가 다닐 수 있는 길'을 만들었다. 이에 TiO₂도 안정적인 촉매 받침대로 사용할 수 있게 됐다.

그 결과, 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며, 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건(1A/㎠)에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일 성능을 보였다.

연구팀은 이 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다. 이 촉매는 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐으며, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 또 5만 회 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능 약 65%를 유지해 뛰어난 내구성을 입증했다. 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현했다.

조은애 교수는 “값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다”며, “이번 연구는 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 두 편 논문으로 발표됐는데, 이리듐 나노시트 연구는 신동원 박사과정이 제1저자로 참여해 ACS 나노에, 백금-구리 나노시트 연구는 이상재 박사 및 양현우 박사과정이 공동 제1저자로 참여해 나노 레터스에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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