KAIST 연구진, 수소생산 향상 촉매기술 첫 개발

신소재공학과 조은애 교수팀
‘초박막 나노시트’ 구조 완성

양현우(왼쪽부터) KAIST 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정. [KAIST 제공]

촉매는 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정을 좌우하는 수소 에너지의 ‘보이지 않는 엔진’이다. 기존 촉매는 만들기 쉬운 알갱이 형태였지만 귀금속을 비효율적으로 쓰고 수명이 짧다는 한계가 있었다.

KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 적용, 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 함께 극복한 데 있다.

수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만, 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀하고 고가라는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 기존 촉매는 작은 입자 형태여서 실제 반응에 활용되는 면적이 제한적이고, 장시간 사용 시 성능 저하가 불가피했다.

연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐, 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발해, 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘린 것이다. 덕분에 적은 금속으로도 더 많은 수소를 만들 수 있게 됐다.

그 결과, 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며, 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여, 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음을 입증했다.

이 촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐으며, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 또한 5만 회의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성을 입증했다. 구본혁 기자