촉매는 수소 생산과 연료전지 작동을 좌우하는 핵심 요소지만, 기존 알갱이 형태 촉매는 귀금속 사용 효율이 낮고 내구성에 한계가 있었다. KAIST 연구진이 촉매의 ‘형태’를 바꾸는 방식으로 귀금속 사용량을 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 구조를 제시했다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 초박막 나노시트 구조를 적용해 귀금속 촉매의 효율과 내구성을 함께 개선한 새로운 촉매 구조를 개발했다고 23일 밝혔다.

연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 두께 2나노미터 이하의 초박막 나노시트 구조다. 연구팀은 기존에 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐, 같은 양의 금속으로도 반응에 참여하는 표면적을 크게 늘렸다.

수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터의 이리듐(Ir) 나노시트를 개발했다. 이 구조를 적용한 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐고, 실제 산업 환경에 가까운 고부하 조건(1A/㎠)에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동했다. 이리듐 사용량을 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 유사한 성능을 유지했다.

연구팀은 전기 전도성이 낮아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 나노시트들이 서로 연결되는 구조를 구현해, 안정적인 전자 이동 경로를 형성했다.

같은 설계 전략은 연료전지 촉매에도 적용됐다. 백금-구리(Pt-Cu) 초박막 나노시트를 활용한 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능은 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐고, 실제 연료전지 셀 기준 성능도 약 2.3배 높게 나타났다. 5만 회 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지했으며, 백금 사용량은 약 60% 줄였다.

조은애 교수는 “귀금속 사용량을 크게 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 개선할 수 있는 촉매 구조를 제시했다”며 “촉매 소재 자체보다 구조 설계의 중요성을 보여주는 결과”라고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로 한 두 편의 논문으로 발표됐다. 이리듐 나노시트 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에, 백금-구리 나노시트 연구는 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 각각 게재됐다.