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동국대 진하늘 교수 연구팀, 수소연료전지 촉매 효율 5배 '업'
동국대 진하늘 교수 연구팀, 수소연료전지 촉매 효율 5배 '업'
상온에서 초음파 기반으로 돔형 나노촉매를 합성하는 과정을 시각화한 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 표지논문 이미지. KIST 제공.
수소연료전지 핵심 부품인 '촉매'의 성능을 높이는 간단한 기술이 개발됐다. 기존보다 수소연료전지의 수명을 4배, 효율은 5배 향상시킬 수 있는 방법이다.
동국대 진하늘 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 책임연구원, 천동원 포스텍 교수, 양용수 KAIST 교수와 공동 연구를 통해 고성능·고내구성 촉매를 상온에서 손쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
수소연료전지는 온실가스를 배출하지 않고 고효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 장시간 운전 시 성능이 떨어지고 촉매 교체에 따른 높은 유지비용이 든다는 한계가 있다. 수소연료전지 촉매의 반응 효율은 시간이 지나면서 금속 성분이 녹아내리거나 입자가 뭉치면서 저하된다.
연구팀은 상온에서 초음파를 활용한 1단계 공정만으로 수소연료전지 촉매의 정밀한 구조를 형성할 수 있는 기술을 개발했다. 안경 세척기와 유사한 방식의 초음파 장치를 활용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도해 촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보했다.
연구팀이 개발한 기술을 이용해 백금과 니켈을 정밀하게 배열한 나노입자 촉매를 만들었다. 반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 비어 있는 돔 형태의 구조로 촉매를 설계했다.
개발된 촉매는 실험실 수준 성능 검증에서 기존 상용 촉매보다 질량 활성도는 약 7배, 실제 연료전지 구동 시험에서 반응 효율은 약 5배 향상됐다는 점이 확인됐다. 질량 활성도는 백금 1g당 생성할 수 있는 전기 반응량이다.
내구성 평가에서는 4만2000시간 이상 안정적인 운전이 가능하다는 결과를 보여 현재 상용 촉매 대비 연구팀 개발 촉매가 약 4.2배 긴 수명을 보였다.
연구팀의 기술이 상용화되면 수소연료전지의 가격 경쟁력이 크게 높아질 것으로 기대된다. 연료전지 시스템에서 촉매는 전체 제조비의 약 30% 이상을 차지하는 핵심 부품이다.
본 연구는 수소에너지 기술에 대한 중요성을 인정받아 국제 저명 학술지 Advanced Materials의 표지 논문으로 선정됐다.
< doi.org/10.1002/adma.202504059>
동아사이언스: https://n.news.naver.com/article/584/0000033343?ntype=RANKING
