고려대–성균관대, 수소연료전지용 고성능 촉매 개발… 기존 대비 활성도 8배 향상

이광렬·이상욱 교수 공동연구팀, 2차원 백금 텔루라이드 기반 촉매 구현… 5만 회 구동 테스트서 내구성 확인

고려대학교와 성균관대학교 공동연구팀이 친환경 수소연료전지의 성능을 높일 수 있는 고성능·고내구성 촉매를 개발했다. 연구팀은 이차원 백금 텔루라이드(PtTe₂) 기반 촉매를 통해 기존 백금 합금 촉매보다 8배 높은 활성도를 확인했으며, 5만 회 구동 테스트에서도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 입증했다.

고려대학교는 화학과 이광렬 교수 연구팀이 성균관대학교 화학공학과 이상욱 교수 연구팀과 공동으로 이차원 백금 텔루라이드 기반 촉매를 개발했다고 5일 밝혔다. 이번 연구는 수소연료전지의 핵심 반응인 산소환원반응의 효율과 안정성을 높이기 위한 촉매 설계 전략을 제시했다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 에너지 장치다. 수소전기차와 차세대 분산형 전원 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있으며, 연료전지의 성능과 수명은 산소환원반응에 크게 좌우된다. 차세대 분산형 전원 시스템은 대형 발전소에서 멀리 떨어진 전력을 공급받는 방식이 아니라, 전력 소비 지역 인근에서 전기를 생산하고 소비하는 친환경·지능형 국소 전력망 시스템을 뜻한다.

산소환원반응은 반응 속도가 느리고 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하기 쉬운 특성이 있다. 촉매 열화는 촉매 물질이 물리적·화학적으로 손상돼 전력 생산 효율과 장치 수명이 저하되는 현상을 의미한다. 이 때문에 수소연료전지의 상용화와 성능 향상을 위해서는 고성능과 고내구성을 동시에 갖춘 촉매 개발이 중요하다.

현재 널리 사용되는 백금 합금 촉매는 성능 향상을 위해 물질 배합 비율이나 입자 구조를 조절하는 방식이 활용돼 왔다. 그러나 촉매 표면의 전자구조와 반응 중간체 흡착 특성을 정밀하게 제어하는 데에는 여전히 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 백금과 텔루륨으로 이루어진 2차원 백금 텔루라이드 나노시트의 성장 경로를 정밀하게 제어했다. 이를 바탕으로 산소환원반응에 최적화된 백금-텔루륨 배위 환경과 전자구조를 제공하는 촉매 설계 전략을 제안했다.

백금-텔루륨 배위 환경은 촉매 내부에서 백금과 텔루륨 원자가 어떤 방식으로 배치돼 있는지를 의미한다. 연구팀은 이 배위 환경과 전자구조를 함께 제어함으로써 산소환원반응에 적합한 촉매 성능을 구현했다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 백금 합금 촉매와 비교해 8배 높은 활성도를 나타냈다. 구체적으로 1.22 A mgPt⁻¹의 활성도를 기록했다. 이는 촉매의 조성뿐 아니라 결정 성장 방식과 전자구조를 정밀하게 설계하는 전략이 수소연료전지 촉매 성능 향상에 기여할 수 있음을 보여준다.

내구성도 확인됐다. 연구팀은 5만 회에 달하는 구동 테스트를 진행했으며, 장시간 가동에도 성능 저하가 거의 없는 결과를 얻었다. 수소연료전지 촉매가 실제 장치 환경에서 안정적으로 작동하기 위해서는 장기 구동 안정성이 중요하다는 점에서 이번 결과는 고내구성 촉매 설계의 가능성을 제시한다.

이광렬 고려대 교수는 “이번 연구는 백금 기반 촉매의 성능을 단순히 조성 조절로 향상시키는 데 그치지 않고, 귀금속 칼코게나이드의 결정 성장과 전자구조를 함께 제어했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 수소연료전지용 고성능·고내구성 촉매 개발에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 고려대 화학과 이광렬 교수, 성균관대 화학공학과 이상욱 교수, 경기대 화학과 박종식 교수가 교신저자로 참여했다. 고려대 화학과 이은수 박사과정생과 기초과학연구원 김태경 박사가 제1저자로 참여했다.

연구 성과는 나노화학 분야 국제 학술지 ACS Nano 온라인판에 5월 5일 게재됐다. 논문명은 ‘Lattice Mismatch Guided, Confined Growth of Ultrathin PtTe2 Nanosheets for an Enhanced Oxygen Reduction Reaction’이며, DOI는 10.1021/acsnano.5c20794다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 2차원 백금 텔루라이드 기반 촉매의 결정 성장과 전자구조 제어를 통해 수소연료전지 산소환원반응 성능을 높일 수 있음을 확인했다.

이번 성과는 친환경 수소연료전지의 효율과 내구성을 동시에 높이기 위한 촉매 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 특히 기존 백금 합금 촉매의 조성 조절 중심 접근을 넘어, 결정 성장과 전자구조를 함께 제어하는 방식은 수소전기차와 차세대 분산형 전원 시스템에 필요한 고성능 촉매 개발 연구의 기반으로 활용될 수 있다.

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