↑↑ DGIST 에너지공학과 유종성 교수팀이 연구결과를 확인하고 있다. DGIST 제공

DGIST 에너지공학과 유종성 교수팀이 차세대 수소연료전지 기술을 개발할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 수소연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 상용화를 가로막는 가장 큰 문제는 백금 촉매의 높은 가격과 내구성인데, 연구팀이 백금-마그네슘 합금 나노입자를 액상에서 합성에 성공하면서, 이를 해결할 수 있는 실마리를 발견했다.

세계적으로 수소연료전지에 관한 다양한 연구를 통해 마그네슘과 같은 알칼리 토금속(주기율표에서 2족에 속하는 금속들)을 이용한 백금 합금 촉매가 뛰어난 성능과 내구성을 가진다는 것을 밝혀냈다. 그러나 알칼리 토금속의 낮은 환원 능력으로 인해 백금-알칼리 토금속 나노입자를 균일하게 합성하는 데 어려움이 있었고, 이로 인해 관련 연구는 거의 진전되지 않고 있었다.

하지만 유종성 교수팀이 이번 연구를 통해 액상에서 백금과 마그네슘이 나노입자 형태로 결합하는 새로운 합성법을 개발해 백금-마그네슘 합금 나노입자를 균일하게 합성하는데 성공했다. 또한 이 기술을 통해 백금-알칼리 토금속 합금 촉매의 대량 합성과 개발이 가능해져, 수소연료전지 기반 청정에너지 개발에 한 걸음 더 다가설 것으로 기대하고 있다.

특히 새롭게 개발된 백금-마그네슘 합금은 백금과 마그네슘이 규칙적으로 배열된 내부 코어와 외부의 백금 껍질로 구성된 독특한 구조를 가지고 있다. 공동연구를 수행한 미국 텍사스주립대학교 오스틴캠퍼스(Univ. of Texas at Austin)의 그레이엄 헨켈만(Graeme Henkelman) 교수 연구팀이 이를 분석한 결과 금속이 규칙적으로 배열된 코어와 백금 껍질 사이의 시너지 효과로 인해 새로 개발한 촉매가 뛰어난 활성을 발휘하는 것으로 확인했다. 또한 백금-마그네슘 합금은 두 금속간 큰 결합 에너지로 인해, 마그네슘이 쉽게 제거되지 않아 구조가 오랫동안 유지되고 안정적으로 작동할 수 있음을 밝혀냈다. 이러한 혁신적인 구조는 단순한 과학적 발견을 넘어, 차세대 수소연료전지의 성능을 크게 개선할 수 있는 잠재력을 보여준다고 할 수 있다.

또 실제 연료전지의 사용 조건에서 이 백금-마그네슘 나노입자를 공기극 산소환원 촉매로 활용한 결과, 매우 우수한 성능을 보였으며 특히 이 촉매는 미국 에너지부가 2025년까지 설정한 성능 목표를 이미 초과 달성하고 가속 내구성 평가에서도 질량당 활성 목표를 충족했다. 이러한 결과는 새롭게 개발한 물질이 장기적인 안정성에서 탁월한 성능을 발휘한다고 볼 수 있다.

DGIST 유종성 교수는 “이번 연구는 단순히 연료전지의 효율과 성능을 높이는 데 그치지 않고, 실제 사용 환경에서도 장기적으로 안정적으로 작동할 수 있는 내구성을 확보하는 데 중점을 두었다”며, “특히 알칼리 토금속의 합성 어려움을 극복해 우수한 성능을 입증함으로써 수소연료전지의 장기 안정성과 효율성을 동시에 충족시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 차량, 선박, 항공, 발전 등 다양한 산업에 적용돼 지속 가능한 청정에너지 발전에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 학술연구재단의 기초연구실 심화형 사업 과 중견연구 사업을 통해 수행됐으며, 연구결과(제1저자: Gyan-Barimah Caleb 석박사통합과정생)는 'Nature communications'에 8월 게재됐다.