건국대학교 조한익 교수 연구팀이 백금 사용량을 크게 줄이면서도 연료전지 성능을 획기적으로 높인 촉매를 개발했다.

24일 건국대에 따르면 이번 연구는 미국 노스웨스턴대, 아주대 등과의 국제공동연구로 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지 케미컬 엔지니어링 저널에 4월 13일 게재됐다.

수소 연료전지는 수소 연료전지 기술을 기반으로 전기를 생산하는 친환경 에너지 시스템이다. 그러나 반응 촉진에 필요한 백금 촉매의 높은 비용과 제한된 효율이 상용화의 주요 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 서로 다른 조성을 가진 두 종류의 백금-코발트 구조를 결합한 ‘이중 활성 구조’를 세계 최초로 제시했다. 이 구조에서는 서로 다른 활성 부위가 역할을 분담하고, 반응 중간체가 이동하는 스필오버 효과가 발생해 전체 반응 효율이 크게 향상된다.

촉매는 금속유기구조체(ZIF-8@ZIF-67)를 기반으로 코발트를 원자 단위로 분산시킨 지지체 위에 백금 나노입자를 도입해 구현됐다.

성능 평가 결과, 단전지 기준 0.9V 조건에서 기존 촉매 대비 약 6배 높은 활성도를 보였다. 3만 회 이상 구동하는 내구성 시험에서도 성능 저하가 크게 억제돼 안정성도 확인됐다.

특히 백금 함량을 약 4wt% 수준으로 낮추고 로딩량을 0.07mgPt/cm²까지 줄이면서도 성능을 유지해, 기존 대비 백금 사용량을 약 80% 절감할 수 있는 가능성을 제시했다.

또한 내부가 비어 있는 중공 구조를 적용해 기체 확산 문제를 개선함으로써 저백금 촉매에서 발생하는 성능 저하 문제도 해결했다.

연구팀은 이번 기술이 연료전지뿐 아니라 다양한 전기화학 및 촉매 반응 분야로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.