고성능·고내구성 수소전기차 앞당긴다…연료전지 촉매 열화 원인 규명

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 수소전기차의 핵심인 연료전지 촉매가 작동 중 어떻게 성능이 저하되는지, 그 과정을 원자 단위에서 3차원으로 직접 추적하는 데 국내 연구진이 세계 최초로 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 양용수 교수, 신소재공학과 조은애 교수 공동 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 로런스 버클리 국립연구소와의 국제 공동연구를 통해 연료전지 촉매 내부 원자 하나하나의 움직임을 3차원으로 분석했다고 14일 밝혔다.

수소연료전지는 탄소 배출이 없는 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 그러나 촉매로 쓰이는 백금(Pt) 기반 합금은 시간이 지나며 성능이 저하되는 ‘열화 현상’이 발생해 상용화의 걸림돌이 돼왔다. 열화 현상이 제대로 규명되지 않아 연료전지 교체 주기가 짧고, 수소차 가격 인하에도 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 인공지능(AI) 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다. 이는 병원 CT가 인체를 여러 각도에서 촬영해 3차원 이미지를 만드는 것처럼 전자현미경을 통해 얻은 고해상도 이미지를 인공지능으로 분석해 나노 촉매 내부 원자의 3차원 위치를 정밀하게 재구성하는 방식이다.

그 결과, 연료전지 작동 과정에서 수천 개 원자가 어떻게 이동·변형되는지 직접 관찰할 수 있었다. 연구진은 백금-니켈(PtNi) 합금 나노입자를 대상으로 수천 번의 전기화학 작동을 가한 뒤 각 단계에서 원자 구조를 분석했다. 일반 PtNi 입자는 시간이 지남에 따라 형태 변형과 니켈 손실로 기능을 잃어갔지만, 여기에 갈륨(Ga)을 소량 첨가한 경우 변화가 거의 없어 성능이 뛰어나고 내구성도 높았다.

양 교수는 "실제 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 최초 사례"라며 "이전처럼 이론 모델에 의존하지 않고 실제 촉매의 표면과 내부 변화를 직접 측정한 것이 차별점"이라고 설명했다.

이번 연구는 고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계의 핵심 기반을 제공해 AI 기반 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr