2026. 1. 14.

고려대, 전지 성능·내구성 높이는 백금 촉매 개발… 차세대 수소연료전지 실용화 앞당긴다

□ 고려대학교(총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 성균관대학교 이상욱 교수 연구팀과 함께, 수소연료전지의 성능 저하와 내구성 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 백금 기반 촉매를 개발했다.

□ 이번 연구는 재료·에너지 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials(IF=26.8)’ 온라인에 1월 6일 게재됐다.

*논문명: Tailoring Interfacial Oxygen Vacancy-Mediated Ordering in Ternary Pt3(Co,Mn)1 Intermetallic Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

*DOI: 10.1002/adma.202521036 

*URL: https://doi.org/10.1002/adma.202521036 

□ 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 에너지 기술로, 그 성능과 내구성은 연료전지의 음극에서 일어나는 산소환원반응에 의해 좌우된다. 그러나 산소환원반응은 반응 속도가 느리고 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하는 문제가 있다.

*산소환원반응: 산소가 전자를 받아들이며 물로 변하는 반응

□ 특히 기존에 사용되던 백금 기반 인터메탈릭 촉매는 구조적 안정성은 우수하지만, 원자 조성과 배열의 조절 범위가 제한돼 전자 구조를 정밀하게 제어하는 데 한계가 있었다. 이로 인해 수소전기차와 같은 고부하 운전 조건에서는 성능과 내구성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

*인터메탈릭: 금속 원자가 규칙적인 패턴으로 배열되어 만들어진 금속 화합물

□ 연구팀은 이를 극복하기 위해 백금 기반 인터메탈릭 촉매의 고유한 구조적 안정성은 유지하면서도, 원자 조성과 전자 구조를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제안했다. 이를 바탕으로 백금(Pt)–코발트(Co)–망간(Mn)으로 구성된 삼원계 인터메탈릭 나노촉매를 새롭게 설계했다. 이 과정에서 촉매와 산화물 사이의 계면에서 형성되는 산소 결함을 활용해 촉매 내부의 원자 배열을 제어함으로써, 기존에는 구현이 어려웠던 삼원계 Pt 기반 인터메탈릭 촉매를 성공적으로 구현했다.

□ 새롭게 개발된 촉매는 내부 전자 구조가 최적화돼 산소환원반응 활성과 장시간 구동 시 내구성이 동시에 향상됐다. 전기화학 성능 평가에서는 상용 Pt/C 촉매 대비 10배 이상의 질량 활성을 기록했으며, 15만 회 이상의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다.

*질량 활성: 촉매의 단위 무게당 성능을 나타내는 지표. 값이 높을수록 적은 양의 촉매로 높은 효율을 낸다.

□ 아울러 막전극접합체 적용 시험에서도 미국 에너지부가 제시한 2025년 성능 기준을 넘어서는 결과를 보였으며, 고부하 조건에서도 기존 촉매보다 높은 출력을 유지해 수소차 및 발전용 연료전지 응용 가능성을 입증했다.

*막전극접합체: 수소연료전지에서 전기화학 반응이 일어나는 핵심 부품

□ 연구를 총괄한 고려대 이광렬 교수는 “이번 연구는 원자 수준에서 구조적 질서와 조성 설계를 동시에 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시한 것”이라며 “실제 연료전지 구동 조건에서도 우수한 성능을 입증해 차세대 수소연료전지의 실용화 가능성을 크게 높였다”라고 강조했다.

□ 본 연구는 리더연구사업, 박사후 국내연수 사업, KIST 기관고유사업, H2Gather 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

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