포스텍 연구팀, ‘다쳐도 스스로 회복하는’ 수소차 촉매 개발

연구 이미지. /포스텍 제공

상처가 나면 스스로 치유되는 피부처럼 산화돼 성능이 떨어져도 원래 상태를 되찾는 전기화학 촉매가 개발됐다.

포항공과대학교(이하 포스텍) 신소재공학과·친환경소재학과·배터리공학과 김용태 교수와 국립공주대 유상훈 교수, 서울대 한정우 교수, 포항가속기연구소 이국승 박사 공동 연구팀은 스스로 성능을 회복하는 이리듐·철 합금 나노촉매(IrFe/C)를 개발했다고 27일 밝혔다. 

수전해 장치와 수소 연료전지는 수소 경제의 핵심 장비지만, 구동 과정에서 촉매가 산소와 만나 표면이 산화되면서 성능이 영구적으로 떨어지는 ‘패시베이션(passivation)’ 현상이 고질적인 약점이었다. 

특히 자동차 시동을 켜고 끄는 과정이나 연료 공급이 불안정한 실제 산업 현장에서 이러한 촉매 손상이 더욱 빠르게 진행됐다.

연구팀은 촉매의 내부 구조는 단단한 금속 합금 상태를 유지해 버팀목 역할을 하게 하고 바깥 표면만 주변 환경에 따라 유연하게 변하도록 설계했다. 

이를 통해 촉매 표면이 산화되더라도 다시 본래의 금속 상태로 자발적으로 돌아갈 수 있는 ‘동적 분리-표면 재구성’ 메커니즘을 세계 최초로 구현했다.

실제 장치에 적용해 실험한 결과 내구성이 대폭 향상된 것으로 나타났다. 

연료전지 등에 적용했을 때 기존 촉매는 성능이 62% 감소했으나 이번에 개발된 촉매는 성능 감소가 16%에 그쳤다. 연료가 부족한 가혹한 운전 조건에서도 기존 촉매보다 3배 가까이 높은 최대 출력 밀도(0.72W·cm⁻²)를 안정적으로 유지했다.

김용태 교수는 “이번 연구는 촉매 표면의 성능 저하 문제를 극복할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 “친환경 수소 생산은 물론 수소차, 연료전지 발전 시스템 등 다양한 분야에서 장비 수명을 늘리고 유지 비용을 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 표지 논문으로 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]