"연료전지 촉매 수명 단축 비밀 풀었다"…원자 단위서 첫 규명

한국에너지공대·포항공대 공동 연구
고성능 에너지 소재 개발 전환점 평가

한국에너지공과대학교(KENTECH)와 포항공과대학교(POSTECH) 공동 연구진이 차세대 연료전지 촉매의 성능이 시간이 지날수록 떨어지는 이유를 원자 수준에서 밝혀냈다.

나노입자가 생성되는 순간부터 장시간 사용 후 붕괴되는 과정까지를 실시간으로 추적한 성과로, 향후 고성능·고내구성 에너지 소재 개발의 전환점이 될 것으로 평가된다.

연구는 KENTECH 오상호 교수팀과 POSTECH 한현 교수팀이 공동으로 수행했다.

이들은 '용출(exsolution)' 방식으로 형성되는 금속 나노입자 촉매에 주목했다. 용출은 산화물 내부 금속이 고온 환원 환경에서 표면으로 이동해 스스로 나노입자를 형성하는 현상으로, 기존 증착 방식보다 지지체에 단단히 고정돼 높은 안정성을 갖는 것이 특징이다.

용출 나노입자가 형성되고, 결정 결함이 치유된 뒤, 장시간 반응 시 표면 함몰과 2차상이 생기며 퇴화되는 과정을 나타낸 모식도. [사진제공=한국에너지공대]

연구진은 실시간 투과전자현미경을 활용해 나노입자의 생성부터 퇴화까지 전 과정을 직접 관찰했다. 그 결과 초기 단계에서는 니켈(Ni) 나노입자가 표면으로 올라오며 '역상경계(APB)' 결함이 동시에 사라지는 현상이 확인됐다.

이는 용출이 단순한 입자 형성을 넘어 결정 구조 재배열과 결함 치유가 함께 일어나는 복합 과정임을 보여준다.

하지만 장시간 고온 환원 환경에서는 상황이 달라졌다. 니켈과 스트론튬(Sr)이 점차 소실되면서 표면에 미세한 함몰이 발생하고, 이어 2차상이 형성되며 구조적 붕괴가 진행됐다.

연구진은 이를 '구조 균형-재불균형-분해'로 이어지는 연속 과정으로 설명했다.

이번 연구는 촉매 성능 저하가 단순한 입자 성장이나 응집 때문이 아니라 ▲결정 결함 변화 ▲원소 손실 ▲표면 구조 변형 ▲2차상 형성 등이 복합적으로 작용한 결과임을 입증했다.

특히 촉매의 초기 활성뿐 아니라 장기 안정성까지 고려한 설계가 필요하다는 점을 명확히 제시했다는 평가다.

오상호 교수는 "용출 촉매의 성능 저하 원인을 원자 단위에서 직접 확인한 데 의의가 있다"고 밝혔다. 한현 교수 역시 "이번 성과가 고성능·고내구성 촉매 설계 전략으로 이어질 것"이라고 기대했다.

해당 연구 결과는 나노과학 분야 권위지인 'ACS Nano'에 게재됐다.

호남취재본부 심진석 기자 mourn@asiae.co.kr