Pt-Co-Ni 삼원계 ‘ISR 합금 촉매’ 첫 구현… 질량 활성 10배·내구성 96% 유지

고려대학교 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사팀, 성균관대 이상욱 교수팀과 공동으로 연료전지 성능과 내구성을 동시에 높인 차세대 합금 촉매를 개발했다. 해당 기술은 수소자동차와 발전용 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 성과로 평가받으며, 재료·에너지 분야의 국제 학술지 Advanced Energy Materials 11월 4일자 온라인판에 표지 논문으로 게재됐다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 기술로, 미래 수소경제의 핵심 인프라로 주목된다. 하지만 연료전지 성능의 핵심 지표인 산소환원반응(ORR)에서 촉매의 효율과 내구성을 동시에 확보하는 것은 난제로 남아 있다. 기존 백금(Pt) 기반 인터메탈릭 촉매는 내구성은 높지만 전자 구조 조절이 어려워 고부하 조건에서 효율이 떨어지고 성능 최적화에 한계를 보여 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘Inter-Sublattice Random(ISR)’이라는 새로운 구조 전략을 적용했다. Pt-Co 규칙 구조에 코발트(Co)의 일부를 니켈(Ni)로 정밀 치환해 원자 배열의 질서는 유지하면서도 전자 구조 조절을 가능하게 한 것이 핵심이다. 이종 에피택시 성장 기법을 기반으로 합성된 Pt-Co-Ni 삼원계 인터메탈릭 나노촉매는 Co와 Ni 원자가 무작위로 결합된 구조로, 기존 Pt 합금 촉매가 지닌 반응성·내구성의 균형 문제를 동시에 해결했다.

촉매 성능 평가에서 개발된 ISR 촉매는 상용 Pt/C 촉매 대비 질량 활성에서 10배 이상 높은 성능을 보였으며, 15만 회 가속 내구성 시험 후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다. 이는 실제 연료전지 구동 환경에서도 뛰어난 안정성을 확보했음을 의미한다. 실제 연료전지 적용 시험에서는 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 성능 기준을 넘어섰고, 고부하 조건에서도 기존 촉매보다 높은 출력을 유지하며 상용 적용 가능성을 확인했다.

이광렬 교수는 “원자 수준의 구조적 질서와 조성적 무질서를 결합해 기존 백금 합금 촉매의 한계를 극복했다”며 “상용 수준의 성능과 내구성을 확보한 만큼 차세대 수소연료전지 기술 개발에 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.
이어 연구 성과의 주요 기여자로 박예지 박사를 언급하며 “창의성과 근면함이 연구 성공의 원동력이었다”며 우수 인재 양성의 중요성을 강조했다.

이번 연구는 KIST, 현대자동차 산학과제, 리더연구사업 등 다양한 정부·기업 지원으로 수행됐다. 학계와 연구기관, 산업계가 협력해 수소 모빌리티·발전 등 핵심 산업의 미래를 위한 기술 기반을 구축한 사례라는 점에서도 의미가 크다.