촉매는 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정을 좌우하는 수소 에너지의 핵심 요소다. 기존 촉매는 제조가 쉬운 알갱이 형태가 주를 이뤘지만, 귀금속을 비효율적으로 사용하고 장시간 운전 시 성능이 저하되는 한계가 있었다. 이러한 가운데 KAIST 연구진이 촉매 재료가 아닌 구조 자체를 바꾸는 방식으로 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다.

 

KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 함께 끌어올릴 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다. 이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 도입해, 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 동시에 극복한 데 있다.

 

수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만, 촉매로 사용되는 이리듐과 백금이 희귀하고 고가라는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다. 기존 촉매는 작은 입자 형태로 제작돼 실제 반응에 참여하는 면적이 제한적이었고, 장시간 사용 시 성능 저하도 불가피했다.

 

 

연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼친 초박막 나노시트 구조로 설계했다. 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 이리듐 나노시트를 개발해 동일한 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘렸다. 이를 통해 적은 금속 사용량으로도 더 많은 수소를 생산할 수 있게 됐다.

 

또한 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용하기 어려웠던 산화티타늄 위에 초박막 나노시트들이 서로 연결되며 전류가 흐를 수 있는 경로를 형성하도록 설계했다. 이로써 산화티타늄을 안정적인 촉매 받침대로 활용할 수 있게 됐다.

 

그 결과 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며, 실제 산업 환경에 가까운 고부하 조건에서도 1,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음을 입증했다.

 

연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다. 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 백금-구리 나노시트를 제작해 반응 효율을 극대화한 결과, 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐으며, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 또한 5만 회의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해 내구성 역시 확인됐다. 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현한 점도 주목된다.

 

조은애 교수는 “값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다”며 “이번 연구는 수소 에너지 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

 

이번 연구 성과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로, 수소 생산용 촉매와 연료전지용 촉매에 각각 적용한 두 편의 논문으로 발표됐다. 이리듐 나노시트 연구는 신동원 박사과정이 제1저자로 참여해 ACS Nano 2025년 12월 10일자 온라인판에 게재됐다. 백금-구리 나노시트 연구는 이상재 박사와 양현우 박사과정이 공동 제1저자로 참여해 Nano Letters 2025년 12월 11일자 온라인판에 실렸다.

 

이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원으로 수행됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |