고려대 화학과 이광렬 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 성균관대 이상욱 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 차세대 합금 촉매를 개발했다고 18일 밝혔다.
뉴시스 보도에 따르면, 이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 온라인에 지난 4일 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.
수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 만드는 기술로, 미래 수소경제를 이끌 친환경 기술이다.
그동안 수소연료전지의 음극에서 일어나는 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR)에는 백금(Pt) 기반 인터메탈릭(intermetallic)이 촉매로 사용됐다. 해당 촉매는 내구성이 뛰어나지만 전자 구조를 조절하기 어렵다는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 '원자 격자 속 무작위 배치(Inter-Sublattice Random, ISR)'라는 전략을 도입했다. Pt-코발트(Co) 규칙 구조에서 Co 일부를 니켈(Ni)로 대체해 원자 배열의 질서를 유지하고, 전자 구조와 표면 반응을 조절할 수 있도록 했다.
연구팀은 이와 같은 이종 에피택시 성장(heteroepitaxial growth) 기법을 활용해, Pt-Co 규칙 격자 내부에 Ni을 도입했다. 그 결과, Co/Ni이 무작위로 섞인 Pt-Co-Ni 세 가지 금속으로 구성된 인터메탈릭 나노촉매를 합성하는 데 성공했다.
실험 결과, 이 촉매는 전기화학 성능 평가에서 상용 Pt/C 촉매보다 질량 활성이 10배 이상 높았고, 15만 회 이상 가속 내구성 시험 후에도 처음 성능의 96% 이상을 유지했다.
실제 연료전지 적용 시험에서도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 기준을 넘는 성능을 보였으며, 고부하 조건에서도 기존 Pt/C보다 높은 출력을 유지했다.
한편 본 연구는 리더연구사업, 현대자동차 산학과제, KIST 등의 지원을 받아 수행됐다.
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