수소경제의 핵심은 수소를 얼마나 많이 생산하느냐에만 있지 않다. 생산된 수소를 얼마나 효율적으로 전기로 바꾸느냐도 중요하다. 그 중심에 있는 기술이 수소 연료전지이고, 그 성능과 가격을 좌우하는 핵심 재료가 바로 ‘촉매’다.
건국대학교 조한익 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 백금 함량을 크게 줄이면서도 연료전지 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.
이번 연구는 미국 노스웨스턴대학교(Northwestern University)와 아주대학교 등이 참여한 국제공동연구로, 연구 결과는 화학공학 분야 상위 3% 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’(IF=13.2)에 4월 13일 자에 게재됐다.
수소 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 기술로, 탄소중립 실현을 위한 핵심 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만, 반응 속도를 높이기 위해 사용하는 백금 촉매의 높은 비용과 제한된 성능은 상용화의 주요 걸림돌로 꼽혀 왔다.
특히, 현재 가장 널리 사용되는 백금-코발트(Pt-Co) 합금 촉매는 단일 백금 촉매 대비 일정 수준의 성능 개선에는 이바지했으나, 백금 사용량을 줄이면서 동시에 높은 반응 활성을 확보하는 데에는 한계가 있었다.
또한, 기존 합금 촉매는 특정 조성에 기반한 단일 구조로 설계돼 서로 다른 반응 특성을 동시에 활용하기 어렵다는 문제도 있었다. 이에 따라 다양한 활성 부위를 결합해 반응 효율을 극대화할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략의 필요성이 제기돼 왔다.
건국대학교 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 서로 다른 조성을 갖는 두 종류의 백금-코발트 구조를 하나의 촉매에 결합한 ‘이중 활성(dual-active) 구조’를 세계 최초로 제시했다.
이 구조에서는 서로 다른 활성 부위가 역할을 나눠 반응을 촉진하고, 반응 중간체가 더 유리한 부위로 이동하는 ‘스필오버(spillover)’ 현상이 발생해 전체 반응 효율이 크게 향상된다.연구팀은 다공성 금속유기구조체(ZIF-8@ZIF-67)를 기반으로 코발트를 원자 단위로 분산시킨 지지체를 형성하고, 그 위에 백금 나노 입자를 도입한 뒤 열처리를 통해 이러한 이중 활성 구조를 구현했다.
성능은 실제 연료전지 단전지 평가에서 확인됐다. 해당 촉매는 0.9V 조건에서 기존 촉매 대비 약 6배 높은 활성을 보였으며, 3만 회 이상의 구동을 동반한 전압 내구성 시험에서도 성능 저하가 크게 억제되는 등 우수한 안정성을 나타냈다.
특히, 이 촉매는 약 4wt% 수준의 낮은 백금 함량과 0.07mgPtcm-2의 매우 낮은 백금 로딩양으로도 높은 성능을 구현해, 백금 사용량을 약 80%까지 줄일 가능성을 제시했다.
→ wt%(weight percent·중량 백분율, 전체 물질 중에서 특정 성분이 차지하는 비율, “4 wt% 백금”이란 촉매 전체 무게 중에서 백금이 약 4%만 들어 있다는 것)
→ mgPtcm-2(면적당 백금 로딩량, 전극 표면 1cm²당 얼마나 많은 백금이 올라가 있는지를 나타냄, “0.07 mgPt·cm⁻²”는 전극 1cm² 위에 백금이 0.07mg 즉 0.00007g만 사용되었다는 것)
또한, 기존에는 백금 사용량이 줄어들면 전극을 두껍게 설계해야 하고, 이에 따라 반응 물질 이동이 제한되는 문제가 있었지만, 이번 연구에서는 내부가 비어 있는 중공 구조(中空構造·hollow structure·속이 비어 있는 구조)를 활용해 기체 확산을 개선함으로써 이러한 한계를 극복했다.
연구팀은 해당 기술이 연료전지뿐 아니라 다양한 전기화학 및 촉매 반응 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.
이번 연구에는 건국대학교 조한익 교수를 비롯해 손우혁 박사과정생(제1저자), 이종윤 석박통합과정생(공동 제1저자), 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사, 포항공과대학교(POSTECH) 이국승 박사 연구팀이 참여했으며, 본 연구는 산업통상자원부 에너지 인력양성 사업과 건국대학교 World-Leading University 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구는 단순히 하나의 촉매 성능을 개선한 데 그치지 않는다. 수소 연료전지의 가격 장벽을 낮추고, 고효율 에너지 전환 기술의 상용화 가능성을 넓혔다는 점에서 의미가 크다.
더 나아가 이중 활성 구조 설계 전략은 연료전지뿐 아니라, 다양한 전기화학 반응과 촉매 기술에도 적용될 수 있다.
이번 성과는 수소경제가 넘어야 할 현실적 질문에 대한 답변과 연결된다. 친환경 기술은 이상만으로 확산되지 않는다. 성능이 좋아야 하고, 가격도 낮아야 하며, 오래 버텨야 한다. 건국대학교 연구팀의 이번 촉매 개발은 그 세 조건을 동시에 향해 나아간 연구라는 점에서 주목된다.
