월간전기

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 천동원 교수, 한국과학기술원(KAIST) 양용수 교수, 동국대학교 진하늘 교수와 공동으로 고성능·고내구성 촉매를 상온에서 손쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 해당 촉매는 백금과 니켈을 정밀하게 배열한 나노입자로, 반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 비어 있는 돔 형태의 구조로 설계됐다.

수소연료전지는 온실가스를 배출하지 않고 고효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 장시간 운전 시 성능이 떨어지고, 촉매 교체에 따른 높은 유지비용으로 상용화에는 한계가 있다. 이는 연료전지의 핵심 부품인 촉매가 시간이 지남에 따라 금속 성분이 녹아내리거나 입자가 뭉치며 반응 효율이 저하되기 때문이다. 그 때문에 성능과 내구성을 유지하면서도 생산 비용 부담이 적은 촉매 기술의 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

기존 촉매는 600℃ 이상의 고온에서 정밀한 구조를 만들기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 했다. 하지만 연구진이 개발한 신기술은 상온에서 초음파를 활용한 1단계 공정만으로도 촉매의 정밀한 구조 형성이 가능하다. 연구진은 안경 세척기와 유사한 방식의 초음파 장치를 활용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도하는 방식을 적용했다. 이로써 제조 공정을 단순화하고 생산비용을 줄이면서도 촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있게 됐다.

개발된 촉매는 실험실 수준의 성능 검증 결과, 기존 상용 촉매보다 질량 활성도는 약 7배, 실제 연료전지 구동 시험에서는 반응 효율이 약 5배 향상됐다. 내구성 평가에서도 미국 에너지부(DOE)의 기준에 따라 “약 42,000시간 이상 안정적인 운전이 가능하다”는 결과를 얻어, 현재 상용 촉매 대비 수명이 약 4.2배 향상된 것으로 나타났다. 이를 통해 트럭, 버스, 선박, 발전소 등 대형 연료전지 시스템에서 교체 주기를 줄이고 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 2]는 상온 및 상압에서 초음파를 이용한 수소화붕소 환원 반응을 통해 합성된 ‘Ni3Pt5’ 초격자 구조 상을 포함하는 다결정 돔-중공 구조의 NiPt 나노합금 형성 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다. 초기에는 NiPt 나노입자(약 3nm)가 탄소 기판 위에 빠르게 형성되고, 이후 빠른 Ni 환원으로 인해 약 10분 이내에 Pt@Ni 코어-쉘 구조로 발달한다. 농도 구배에 의한 커켄달1) 확산은 합금화 및 중공 구조 형성을 촉진한다.

또한, 전체 반응 시간(90분) 동안 초음파에 의해 유도된 공동 폭발은 원자 이동 및 혼합을 더욱 촉진하여, 궁극적으로 국부적인 Ni3Pt5 초격자 구조 상을 포함하는 독특한 돔-중공 구조의 NiPt-SP 나노입자(<8nm)를 생성한다. [그림 2]는 NiPt 시드에서 돔-중공 구조의 NiPt-SP 나노입자로의 구조적 성장에서 연속 초음파 처리의 상호 보완적인 역할을 강조한다.

[그림 3]은 3D AET를 사용하여 NiPt-SP의 국소적 구조 및 화학적 배열을 원자 수준에서 자세히 분석한 것이다. 나노입자 내의 완전한 3D 원자 좌표와 화학종은 단층촬영을 통해 결정되었으며, 11,819개의 원자(Ni 4,994개 + Pt 6,825개)로 구성된 구조를 나타냈다.

이 영역에서 원자 구조를 더욱 정밀하게 분석하여 총 1,534개의 원자(Ni 591개 + Pt 943개)를 확인한 결과, 국소적 원자 구조를 기반으로 결정립 내 각 원자에 대해 상당 부분이 Ni3Pt5 초격자 구조 상에 할당되어 NiPt-SP 나노입자에서 Ni3Pt5의 화학적 배열을 직접적으로 입증했다.

추가로, AET를 통해 Ni가 풍부한 A1 상의 원자가 표면 근처와 인접 결정립의 경계에 주로 집중되어 있음을 보여주었다. 이는 Ni 원자가 나노입자에서 완전히 용출되지 않고 표면과 결정립계로 분리되는 경향이 있음을 나타낸다. Pt 분율 및 상 분포 곡선을 기반으로 한 정량 분석은 표면 및 결정립계 근처에서 Ni가 풍부한 A1 상의 비율이 더 높으며, 결정립 내부로 더 깊이 들어갈수록 Pt가 풍부한 A1 상과 Ni3Pt5 초격자 구조 상이 우세해지는 것을 보여준다.

소형 연료전지 운전 조건에서는 80℃, 1.5bara의 압력과 0.083mgPt/㎠의 백금 로딩 하에 테스트가 진행되었다. NiPt-SP는 질량 활성도 0.94 A/mgPt를 기록하여 DOE 소형 타겟(0.44 A/mgPt)을 크게 초과했다.

전반적인 내구성 시험은 美 에너지부(DOE)의 가속 열화 시험 (ADT) 프로토콜로 시험했다. 내구성 시험(30,000 사이클 ADT) 후에도 질량 활성도의 78%를 유지하여 DOE 타겟(60%) 대비 우수한 유지율을 보였고, 0.8A/㎠에서의 전압 감소는 18mV로 DOE 기준(30mV 이하)을 만족했다.

중·대형 연료전지 운전 조건에서는 94℃, 2.5bara의 압력, 0.18mgPt/㎠의 백금 로딩(총 0.25 mgPt/㎠)으로 평가되었다. 초기 최대 출력은 1.46W/㎠로 DOE 중·대형 타겟(1.3W/㎠ 이상)을 상회했다. 장기 내구성 시험(90,000 사이클 ADT) 후에도 출력 손실은 5%로 DOE 기준(10% 이내)을 충족했고, 백금 활용도 또한 3.4kW/gPt로 DOE 타겟(2.5kW/gPt 이상)을 초과 달성했다.

또한, 측정된 데이터를 촉매 효율과 수명에 대해 역산했을 때, 촉매 효율 71.2%, 약 42,000시간의 기대 수명(중·대형 연료전지 ADT 기준, 초기 정격 전압 대비 10% 감소 시간)을 나타내며 세계 최고 수준의 실증적 연구 결과를 보였다.

연료전지 시스템에서 촉매는 전체 제조비의 약 30% 이상을 차지하는 핵심 부품이다. 이번 기술이 상용화되면 수소연료전지의 가격경쟁력을 크게 높일 수 있다. 현재 연구팀은 다양한 전이금속 조합으로 기술을 확장하고 있으며, 자동차용 연료전지 스택 단위 평가와 실증 연구도 함께 진행 중이다.

KIST 유성종 박사는 “이번에 개발한 촉매는 돔형 구조와 정밀한 원자 배열을 통해 기존보다 성능과 내구성이 크게 향상됐다”며, “상온에서 합성할 수 있는 이 기술은 수소연료전지 상업화와 탄소중립 실현에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로, KIST 주요사업과 나노소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 『Advanced Materials』(IF : 29.4, JCR 분야 상위 2%)에 표지논문으로 선정됐다.