국내 연구진이 기존 백금 촉매보다 우수한 전기화학 성능과 내구성을 가진 차세대 연료전지용 촉매를 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 화학과 임현섭 교수와 한국에너지공과대학교(KENTECH) 홍종욱 교수 공동연구팀이 팔라듐 셀레나이드(Pd-Se) 기반의 혼합상 나노구조체를 이용해, 산소환원반응(ORR)에서 기존 상용 백금 촉매(Pt/C)보다 우수한 전기화학 성능과 내구성을 가진 차세대 연료전지용 촉매를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 서로 다른 결정상들이 함께 존재할 때, 즉 혼합상 물질에서 발생하는 시너지 효과에 주목한 것으로, 기존 백금 기반 전기촉매를 대체할 수 있는 고성능·고내구성 촉매 설계의 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

향후 연료전지와 같은 고급 에너지 변환 기술에 적용될 수 있는 혼합상 물질의 효과적인 설계 전략에 기여할 것으로 기대된다.

그동안 Pd-Se 촉매는 대부분 단일 결정상 중심으로 연구되었기 때문에 서로 다른 Pd-Se 결정상 간의 상호작용이 촉매 성능 향상에 기여할 수 있다는 사실은 거의 알려지지 않았다.

이에 연구팀은 혼합상 구조가 전자 이동 경로를 개선하고, 반응 활성 부위를 효과적으로 형성하는 데 유리하게 작용한다는 점을 새롭게 밝혀냈다.

또 내구성 테스트 2만 회 후에도 반응 전압의 변화가 단 7mV에 불과해 장시간 사용 환경에서도 안정성이 뛰어남을 확인했다.

임현섭 교수는 “이번 연구는 서로 다른 Pd-Se 결정상이 조화를 이루며 전기화학 반응의 각 단계를 최적화할 수 있다는 사실을 실험과 이론 양면에서 입증한 사례”라며 “이 기술은 고성능 연료전지, 메탈에어 배터리, 수전해 시스템 등 차세대 친환경 에너지 분야의 핵심 기술로 활용될 수 있는 가능성이 매우 크다”고 밝혔다.

GIST 화학과 임현섭 교수와 홍석원 교수, 한국에너지공과대학교(KENTECH) 홍종욱 교수가 지도하고 GIST 화학과 김현주 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국전력공사(KEPCO)의 연구개발 프로그램의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 2025년 4월 1일 온라인 게재됐다.