촉매 한계 깬 ‘혼합상 나노소재’···GIST, 연료전지 내구성·효율 모두 잡았다

(왼쪽부터) 임현섭 GIST 화학과 교수·홍석원 교수, 홍종욱 한국에너지공과대학교 교수, 김현주 GIST 화학과 박사과정생. [사진=광주과학기술원]

[이뉴스투데이 김진영 기자] 광주과학기술원(GIST)은 임현섭 화학과 교수와 홍종욱 한국에너지공과대학교 교수 공동연구팀이 기존 상용 백금 촉매(Pt/C)보다 우수한 전기화학 성능과 내구성을 지닌 차세대 연료전지용 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 팔라듐 셀레나이드(Pd-Se) 기반의 혼합상 나노구조체를 이용해 연료전지의 핵심 반응인 산소환원반응(ORR)에서 고성능·고내구성 성능을 입증했다. Pd-Se는 팔라듐과 셀레늄이 결합한 화합물로 다양한 결정상을 가질 수 있다. 이번 연구에서는 서로 다른 결정상이 공존하는 ‘혼합상’ 구조의 시너지 효과에 주목했다.

기존 연구는 주로 단일 결정상 중심이었지만, 연구팀은 혼합상이 전자 이동 경로를 개선하고 반응 활성 부위를 효과적으로 형성한다는 사실을 실험과 이론을 통해 입증했다. 복잡한 공정 없이 단일 유기금속 전구체를 열처리해 PdSe₂, Pd₁₇Se₁₅, Pd₄Se 등 결정상이 함께 존재하는 나노구조체를 구현한 것이 핵심이다.

이들 결정상은 산소환원반응의 각 단계에서 상호보완적으로 작용했다. Pd는 산소 분자 흡착, Pd₁₇Se₁₅는 중간체 안정화, Pd₄Se는 후속 반응의 촉진에 각각 기여해 전체 반응 효율과 속도를 높였다. 이론적으로는 밀도범함수 이론(DFT)을 통해 각 결정상의 전자 구조와 역할 분담이 분석됐다.

1000℃에서 합성된 촉매는 반응 전압 0.931V를 기록해 백금 촉매보다 우수한 활성을 보였고, 2만 회 내구성 테스트 후에도 전압 변화가 7mV에 불과해 안정성도 입증됐다.

임현섭 교수는 “혼합상 구조가 연료전지 반응의 모든 단계를 최적화할 수 있다는 점을 실험과 계산 모두에서 확인한 사례”라며 “고성능 연료전지, 메탈에어 배터리, 수전해 등 차세대 친환경 에너지 기술에 적용 가능성이 크다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국전력공사(KEPCO)의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 지난달 1일 온라인 게재됐다.