[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 탄소중립 핵심 기술인 수소 연료전지는 비싼 백금 촉매 탓에 상용화가 더디다. 기존 '백금-코발트(Pt-Co) 합금' 촉매 역시 효율과 비용 면에서 한계가 있어, 다양한 반응 부위를 결합하고 효율을 극대화하는 차세대 설계 방식이 대안으로 떠오르고 있다.

24일 건국대학교에 따르면 화공생명에너지공학부 조한익 교수 연구팀이 백금 함량을 크게 줄이면서도 연료전지 성능을 향상할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

연구진은 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.

아울러 다공성 금속유기구조체를 기반으로 코발트를 원자 단위로 분산시킨 지지체를 형성하고, 그 위에 백금 나노 입자를 도입한 뒤 열처리를 통해 이러한 이중 활성 구조를 구현했다.

연료전지의 기본 단위인 단전지 평가에서 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 안정성을 보였다. 특히 낮은 백금 로딩양으로도 높은 성능을 구현해, 백금 사용량을 약 80%까지 줄일 가능성을 제시했다.

또한 연구에서는 내부가 비어 있는 중공 구조를 활용해 기체 확산을 개선함으로써 두꺼운 전극에 따라 반응 물질 이동이 제한되는 문제를 해결했다.

이번 연구는 아주대와 미국 노스웨스턴대가 참여한 국제공동연구로, 건국대 손우혁·이종윤 연구원이 제1저자로 이름을 올린 연구 성과는 화학공학 분야 상위 3% 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 13일 게재됐다.


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