“친환경 수소연료전지 효율 8배 키웠다” 고려대-성균관대, 고성능·고내구성 촉매 개발

▲ 2차원 PtTe2 나노시트의 구조 및 성장 원리에 대한 개략도

친환경 수소전기차의 핵심 연료를 더 효율적으로 생산할 새로운 촉매가 나왔다. 고려대학교(총장 김동원) 화학과 이광렬 교수 연구팀이 성균관대학교 화학공학과 이상욱 교수 연구팀과 공동으로 이차원 백금 텔룰라이드(PtTe₂) 기반 촉매를 개발했다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 에너지 장치로, 수소전기차와 차세대 분산형 전원 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있다. 연료전지의 성능과 수명은 산소환원반응에 크게 좌우되는데, 이 반응은 속도가 느리고 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하기 쉬워 고성능·고내구성 촉매 개발이 필수적이다. 

*차세대 분산형 전원 시스템: 먼 곳의 대형 발전소 대신 전력 소비 지역 인근에서 전기를 직접 생산하고 소비하는 친환경·지능형 국소 전력망 시스템

*촉매 열화: 촉매 물질이 물리적·화학적으로 손상되어 전력 생산 효율과 장치 수명이 저하되는 현상

현재 널리 사용되는 백금 합금 촉매의 성능 향상을 위해 조성(물질 배합 비율) 및 입자 구조를 조절해 왔지만, 촉매 표면의 전자구조와 반응 중간체 흡착 특성을 정밀하게 제어하는 데에는 여전히 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 백금과 텔루륨으로 이루어진 2차원 백금 텔루라이드(PtTe₂) 나노시트의 성장 경로를 정밀하게 제어했다. 이를 바탕으로 산소환원반응에 최적화된 백금(Pt)-텔루륨(Te) 배위 환경(촉매 내부의 원자 배치 상태)과 전자구조를 제공하는 촉매 설계 전략을 제안했다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 백금 합금 촉매와 비교해 8배 높은 활성도(1.22 A mgPt⁻¹)를 나타냈다. 특히 5만 회에 달하는 구동 테스트를 진행한 결과, 장시간 가동에도 성능 저하가 거의 없는 압도적인 내구성을 증명했다. 

이광렬 교수는 “이번 연구는 백금 기반 촉매의 성능을 단순히 조성 조절로 향상시키는 데 그치지 않고, 귀금속 칼코게나이드의 결정 성장과 전자구조를 함께 제어했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 수소연료전지용 고성능·고내구성 촉매 개발에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구 성과는 나노화학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘ACS nano(IF=16.1, JCR 상위 분야 10%)’ 온라인에 5월 5일 게재됐다. 

*논문명: Lattice Mismatch Guided, Confined Growth of Ultrathin PtTe2 Nanosheets for an Enhanced Oxygen Reduction Reaction

*DOI: 10.1021/acsnano.5c20794

*URL: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20794

본 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

▲ (왼쪽부터) 고려대 화학과 이광렬 교수(교신저자), 성균관대 화학공학과 이상욱 교수(교신저자), 경기대 화학과 박종식 교수(교신저자), 고려대 화학과 이은수 박사과정생(제1저자), 기초과학연구원 김태경 박사(제1저자)