DGIST, 차세대 수소연료전지 성능 높이는 새로운 합금 촉매 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수 연구팀이 수소연료전지의 핵심 부품인 전극 촉매 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 합금 구조를 개발했다. 이번 연구는 연료전지 효율을 좌우하는 환원전극의 산소환원반응(ORR)을 개선해, 차세대 친환경 에너지 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

수소연료전지는 전기를 만드는 과정에서 오직 물만 배출하는 친환경 기술로 주목받고 있다. 하지만 성능과 내구성을 높이는 데 필요한 촉매에는 귀금속인 백금(Pt)이 주로 사용돼, 효율성 향상과 비용 절감이 중요한 연구 과제로 꼽혀왔다.

연구팀은 백금 기반 합금에 철(Fe), 코발트(Co)와 같은 '자기적 특성'을 가진 전이금속을 도입해, 원자 배열에서 독특한 자기적 성질이 나타나도록 설계했다. 그 결과, 백금-팔라듐-철(Pt-Pd-Fe) 삼원 합금을 규칙적으로 배열한 새로운 구조(L10-PtPdFe)를 개발하는 데 성공했다. 이 촉매는 기존의 동일 조성 합금(Cubic L12-PtPdFe)보다 훨씬 높은 산소환원반응 활성을 보였으며, 이는 원자 배열에서 생겨난 강한 자기적 상호작용 때문인 것으로 확인됐다.

실제 수소연료전지 환경에서 진행한 엄격한 내구성 실험에서도 이 촉매는 미국 에너지부(US DOE)가 설정한 2025년 촉매 성능·내구성 목표치를 초과 달성했다. 연구팀은 이번 성과가 "지금까지 고려되지 않았던 자기적 특성이 연료전지 촉매 활성의 핵심 요인으로 작용한다는 사실을 처음 규명한 것"이라는 점에서 큰 의미가 있다고 설명했다.

유종성 교수는 "이번 연구는 수소연료전지의 성능을 높이는 새로운 원리를 제시한 것"이라며 "자기적 특성이 촉매의 성능을 결정짓는 또 다른 중요한 인자임을 규명했으며, 앞으로 차세대 수소연료전지 개발의 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2024년)의 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학과 박사과정 무함마드 이르판샤 마울라나(Muhammad Irfansyah Maulana) 학생이 제1저자로 참여했다. 또한 고려대학교 백서인 교수 연구팀이 이론적 분석을 지원하며 공동으로 연구를 수행했다. 연구 결과는 나노소재 분야의 세계적 권위 학술지 'Advanced Materials'에 게재됐다.