DGIST, 저비용 고성능 연료전지 촉매 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수팀이 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는 수소 연료전지 효율과 내구성을 동시에 높일 수 있는 '백금-칼슘 합금 나노입자 촉매'의 액상합성에 성공했다.

기존 연구에서도 백금과 알칼리 토금속(칼슘 등)을 결합한 촉매가 우수한 성능과 내구성을 가질 수 있음은 알려져 있었다. 그러나 칼슘은 전기화학적으로 다루기 어려운 물질로, 백금과의 합성 자체가 매우 까다롭고, 실제 합금 나노입자 제작 기술은 전 세계적으로도 개발이 더딘 상황이었다.

이번에 처음 용액상 합성으로 개발한 촉매는 안쪽에 칼슘과 백금이 규칙적으로 배열된 '코어(속)' 구조, 바깥쪽은 백금으로 덮인 '껍질' 구조를 가진다. 이 구조는 연료전지용 촉매로 매우 이상적인 형태로, 백금의 높은 반응성과 칼슘의 안정성을 결합한 혁신적인 방식이다.

연구팀은 실제 수소연료전지 사용 환경에서 이 백금-칼슘 나노입자를 연료극 촉매로 활용한 결과, 미국 에너지부(DoE)가 2025년까지 목표로 제시한 성능·내구성 기준을 이미 초과 달성하는 성과를 거뒀다. 즉, 수소차나 수소 발전 등에 바로 적용 가능한 수준의 성능을 입증한 셈이다.

이번 성과의 원인을 밝히기 위해 독일 뒤스부르크-에센대(University of Duisburg-Essen)의 카이 S. 엑스너(Kai S. Exner) 교수팀과 협력해 이론적 연구도 함께 진행했다. 그 결과, 백금과 칼슘 원자 사이에 형성된 강한 상호작용이 높은 내구성과 장기 사용 성능을 이끌어낸다는 사실을 밝혀냈다.

DGIST 유종성 교수는 “연료전지 촉매는 대부분 성능과 장기 내구성을 모두 만족시키기 어렵다”며, “이번에 개발한 백금-칼슘 합금 나노입자는 높은 성능, 뛰어난 내구성은 물론 저렴한 제조비용까지 확보한 기술로, 향후 다양한 분야에서 수소연료전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2024년)의 지원으로 수행됐으며, DGIST 유종성 교수팀의 얀-바리마 케일럽(Gyan-Barimah Caleb) 학생이 제1저자로 참여하고, 독일 뒤스부르크-에센대학교와 공동 연구로 진행됐다. 연구 결과는 나노소재 분야 권위지 'Small'에 게재됐다.