수소연료전지는 탄소 배출이 없는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목 받고 있지만 촉매로 사용되는 백금(Pt) 기반 합금은 주행 과정에서 성능이 점차 저하되는 ‘열화 현상’이 발생해 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이같은 열화의 근본 원인을 규명하지 못하면 연료전지 교체 주기는 짧아지고 수소차 가격을 낮추는 데도 한계가 된다.
KAIST는 양용수 물리학과 교수와 조은애 신소재공학과 교수 공동연구팀이 국제 연구진과 함께 수소 전기차의 핵심인 연료 전지 작동 충 촉매의 ‘열화 과정’을 세계 최초로 원자 단위에서 3차원으로 직접 추적하는데 성공했다고 14일 밝혔다. 이번 성과는 고성능·고내구성 연료 전지 개발을 앞당겨 미래 친환경 교통수단과 에너지 전환에 크게 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 미국 스탠퍼드대학교, 로런스 버클리 국립연구소와 국제 공동 연구를 통해 연료 전지 촉매 내부의 원자 하나하나가 수천 번의 작동 사이클 동안 어떻게 움직이고, 어떤 방식으로 성능이 저하되는지를 3차원으로 직접 추적했다.
KAIST 연구팀은 우선 원자 각각의 3차원 움직임을 직접 볼 수 있는 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다. 연구팀은 전자현미경을 이용해 다양한 각도에서 고해상도 이미지를 촬영하고, 이를 인공지능 신경망과 결합해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀하게 재구성했다. 연구팀은 이를 통해 수천 개에 달하는 원자들이 연료 전지 작동 과정에서 이동하고 변형되는 과정을 마치 눈으로 들여다보듯 생생하게 관찰할 수 있었다. 연구팀은 또한 백금-니켈(이하 PtNi) 합금 나노입자에 대해 수천 번의 전기화학적 작동을 가한 후, 각 단계에서 촉매 입자의 3차원 원자구조를 분석했다. 그 결과 일반적인 PtNi 입자에서는 시간이 지남에 따라 입자 형태가 변형되고, 니켈이 빠져나가고, 제 기능을 점차 잃어버리는 현상이 나타났다.
반면 갈륨 원소를 조금 섞어준 촉매 입자에서는 이러한 변화가 거의 없어서 처음부터 성능도 더 뛰어나고, 오래 사용해도 성능을 잘 유지함을 입증했다. 이를 통해 연구팀은 촉매 안에 원자들이 시간이 지나면서 어떻게 변하는지 그리고 그 변화가 성능 저하와 어떤 관계가 있는지를 정량 데이터로 명확하게 규명했다.
양용수 교수는 “이번 연구는 실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 최초 사례로, 실험적으로 관측하기 어려웠던 실제 촉매 표면과 내부의 3차원 원자 구조 변화를 직접 측정했다는 점에서 이론 모델이나 시뮬레이션에 의존했던 기존 연구들과 차별점을 가진다”라고 강조했다. 이어 “고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계의 핵심 기반이 될 것이며 또한 AI 기반 정밀 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 폭넓게 활용될 것”이라고 전망했다.
본 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 8월 28일자에 게재됐다.
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
wise@sedaily.com
