수소에너지 기술의 병목은 늘 촉매였다. 수소를 생산하고 전기를 만들어내는 핵심 장치인 수전해와 연료전지에서, 성능을 좌우하는 촉매는 희귀하고 값비싼 귀금속에 의존해 왔다. 촉매 효율을 높이기 위해 귀금속을 더 쓰는 방식은 비용과 내구성의 한계로 이어졌다. 이러한 구조적 문제에 대해 재료가 아니라 ‘형태’의 혁신으로 해법을 제시한 연구가 나왔다. KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 알갱이 형태의 촉매를 종이처럼 얇은 초박막 나노시트 구조로 전환해, 귀금속 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시키는 데 성공했다고 1월 21일 밝혔다.
기존 촉매는 제조가 쉬운 입자(알갱이) 형태가 일반적이었다. 그러나 이 구조에서는 실제 반응에 참여하는 표면적이 제한되고, 장시간 구동 시 입자들이 뭉치며 성능 저하가 발생한다. 연구팀은 이러한 한계를 촉매 재료 교체가 아닌 구조 설계로 돌파했다. 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 두께 2나노미터 이하의 초박막 나노시트를 적용해, 같은 양의 귀금속으로도 반응 면적을 획기적으로 늘린 것이다.
수전해 촉매에서는 이리듐(Ir)을 사용한 초박막 나노시트 구조가 핵심이다. 연구팀은 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 이리듐 나노시트를 산화티타늄(TiO₂) 지지체 위에 배치했다. 산화티타늄은 전기 전도성이 낮아 기존에는 촉매 지지체로 활용이 어려웠지만, 나노시트들이 서로 연결되며 촉매층 내부에 전자 이동 경로를 스스로 형성하도록 설계했다. 그 결과 별도의 도핑이나 과도한 귀금속 추가 없이도 안정적인 전기 전도성을 확보했다.
성능 향상은 수치로 확인됐다. 해당 수전해 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐고, 실제 산업 환경에 가까운 고부하 조건(1 A/cm²)에서도 1,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존 대비 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동등한 성능을 유지해, 귀금속 사용량 절감과 성능 유지를 동시에 입증했다.
연구팀은 이 구조 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다. 백금-구리(PtCu) 합금을 초박막 나노시트 형태로 제작해, 산소환원반응(ORR)의 활성 부위를 극대화했다. 이 촉매는 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐고, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 출력을 기록했다. 5만 회의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해, 내구성 측면에서도 우수성을 입증했다. 동시에 백금 사용량은 약 60% 절감했다.
이번 연구의 의미는 특정 금속에 국한되지 않는다는 점에 있다. 초박막 나노시트라는 구조 설계 개념은 이리듐이나 백금뿐 아니라, 루테늄 등 다른 귀금속 촉매 시스템에도 확장 적용이 가능하다. 이는 수소 생산과 연료전지뿐 아니라, 이산화탄소 전환, 친환경 전기화학 공정 등 다양한 에너지·화학 분야로의 파급 가능성을 내포한다.
조은애 교수는 값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다며, 이번 연구가 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 중요한 전환점이 될 것이라고 설명했다. 실제로 이번 성과는 수소 생산용 촉매와 연료전지용 촉매에 각각 적용된 두 편의 논문으로 발표됐다. 이리듐 나노시트 연구는 ACS Nano에, 백금-구리 나노시트 연구는 Nano Letters에 게재됐다.
수소경제의 현실적 장애물은 기술 가능성보다 비용과 내구성에 있었다. KAIST 연구진의 이번 성과는 귀금속 의존도를 구조 설계로 낮출 수 있음을 보여주며, 수소에너지 기술이 실험실을 넘어 산업 현장으로 확장되는 데 필요한 조건을 구체적으로 제시한다. 촉매를 이루는 ‘알갱이’를 ‘종이’처럼 펼친 이번 접근은, 수소에너지의 경제성 논의를 새로운 국면으로 이끌 수 있을지 주목된다.
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