KAIST, 알갱이 촉매 종이처럼 펼쳤더니...수소에너지 판 바꾸다

신소재공학과 조은애 교수 연구팀

초박막 나노시트 구조로 촉매 ‘형태 혁신’

수소 생산 38% 향상·귀금속 사용 65% 절감

(왼쪽부터)KAIST 양현우 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정.ⓒ한국과학기술원

국내 연구진이 알갱이 대신 종이처럼 얇은 시트 구조를 도입해 촉매 재료가 아닌 형태의 혁신으로 귀금속 사용량을 줄이면서 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시켜 눈길을 끌고 있다.

한국과학기술원(KAIST)은 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 적용해, 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.

또 기존에는 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트들이 서로 이어져 연결된 전기가 다닐 수 있는 길을 스스로 만든 것이다. 덕분에 산화티타늄도 안정적인 촉매 받침대로 사용할 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.

연구팀은 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용해 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 백금-구리 촉매를 만들어 반응 효율을 극대화했다.

촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐으며, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다.

또 5만회의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성을 입증했다. 더 나아가 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현하는 데 성공했다.

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

이리듐 나노시트 연구는 신동원 박사과정이 제1저자로 참여해 재료공학 분야 국제 학술지 ACS Nano(IF 16.0)에 지난해 12월 10일자로 온라인판에 게재됐다.