KAIST, 촉매 구조 혁신으로 귀금속 사용량 줄이면서 효율·내구성 동시 개선
촉매는 수소를 생산하고 전기를 만들어내는 수소 에너지 시스템의 핵심 요소다. 그러나 기존 촉매는 알갱이 형태로 제조돼 반응에 실제로 활용되는 면적이 제한적이고, 이리듐과 백금 같은 귀금속을 많이 사용해야 한다는 한계가 있었다. KAIST 연구진이 촉매의 재료가 아닌 ‘형태’를 바꾸는 방식으로 이러한 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 구조를 제시했다.
KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 초박막 나노시트 구조를 적용해 귀금속 사용량을 크게 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 촉매 구조를 개발했다고 1월 21일 밝혔다. 이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트를 촉매로 활용해, 기존 알갱이형 촉매의 효율과 내구성 한계를 극복한 데 있다.
수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만, 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀하고 고가라는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다. 특히 입자 형태의 기존 촉매는 반응 면적이 제한적이고, 장시간 사용 시 성능 저하가 발생하기 쉬웠다.
연구팀은 촉매를 알갱이처럼 뭉친 구조 대신 종이처럼 얇고 넓은 나노시트 형태로 설계했다. 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발해, 동일한 금속 사용량으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘렸다.
또한 기존에는 전기 전도성이 낮아 촉매 지지체로 활용하기 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 나노시트들이 서로 연결되도록 설계해, 전자가 이동할 수 있는 경로를 형성했다. 이를 통해 산화티타늄을 안정적인 촉매 지지체로 활용할 수 있게 했다.
그 결과 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며, 실제 산업 환경에 가까운 고부하 조건(1 A/cm²)에서도 1,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 유지했다.
연구팀은 동일한 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다. 백금-구리 기반 초박막 촉매를 통해 반응 효율을 높인 결과, 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐고, 실제 연료전지 셀 기준으로도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다.
또한 5만 회에 달하는 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해, 기존 촉매보다 뛰어난 내구성을 입증했다. 백금 사용량 역시 약 60% 줄이면서 동일한 성능을 구현하는 데 성공했다.
조은애 교수는 “값비싼 귀금속 사용량을 크게 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다”며, “수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로, 수소 생산용 촉매와 연료전지 촉매에 각각 적용한 두 편의 논문으로 발표됐다.
이리듐 나노시트 연구는 신동원 박사과정이 제1저자로 참여해 재료공학 분야 국제 학술지 ACS Nano 2025년 12월 10일자 온라인판에 게재됐다. 백금-구리 나노시트 연구는 이상재 박사와 양현우 박사과정이 공동 제1저자로 참여해 Nano Letters 2025년 12월 11일자 온라인판에 실렸다.
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