고려대학교(총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀, 성균관대 이상욱 교수 연구팀과 함께 수소연료전지의 성능 저하와 내구성 문제를 동시에 개선할 수 있는 차세대 백금 기반 촉매를 개발했다고 밝혔다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하는 친환경 에너지 기술이다. 성능과 내구성은 음극에서 일어나는 산소환원반응에 의해 좌우된다. 그러나 이 반응은 속도가 느리고, 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하는 한계가 있다.

기존 백금 기반 인터메탈릭 촉매는 구조적 안정성은 높지만, 원자 조성과 배열을 정밀하게 제어하는 데 제약이 있었다. 이로 인해 수소전기차와 같은 고부하 조건에서 성능과 내구성을 동시에 확보하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 인터메탈릭 촉매의 안정성은 유지하면서도 원자 조성과 전자 구조를 정밀하게 제어하는 새로운 설계 전략을 제시했다. 백금(Pt)·코발트(Co)·망간(Mn)으로 구성된 삼원계 인터메탈릭 나노촉매를 설계하고, 촉매와 산화물 계면에서 형성되는 산소 결함을 활용해 내부 원자 배열을 제어했다. 이를 통해 기존에 구현이 어려웠던 삼원계 Pt 기반 인터메탈릭 촉매를 구현하는 데 성공했다.

개발된 촉매는 전자 구조가 최적화돼 산소환원반응 활성이 크게 향상됐고, 장시간 구동에서도 높은 내구성을 보였다. 전기화학 성능 평가 결과, 상용 Pt/C 촉매 대비 10배 이상의 질량 활성을 기록했다. 또 15만 회 이상의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다.

막전극접합체 적용 시험에서도 미국 에너지부가 제시한 2025년 성능 기준을 상회했으며, 고부하 조건에서도 기존 촉매보다 높은 출력을 유지했다. 연구팀은 이를 통해 수소차와 발전용 연료전지 적용 가능성을 확인했다고 설명했다.

이광렬 교수는 “원자 수준에서 구조 질서와 조성을 동시에 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다”며 “실제 연료전지 구동 조건에서도 성능을 입증해 차세대 수소연료전지 실용화 가능성을 크게 높였다”고 말했다.

이번 연구는 리더연구사업, 박사후 국내연수 사업, KIST 기관고유사업, H2Gather 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 1월 6일자 온라인판에 게재됐다.