POSTECH 기계공학과 김현민 박사.





POSTECH 기계공학과 안지환 교수.





연구 이미지. 포스텍 제공.


이산화탄소를 줄이고, 수소로 깨끗한 에너지를 만드는 기술의 핵심은 '촉매'다. 하지만 고온에서 작동해야 하는 차세대 에너지 장치 안에서 촉매가 쉽게 망가지는 문제가 있었다. 그런데, 최근 이를 황금성사이트 해결할 새로운 촉매 설계법이 발표됐다.
포스텍 기계공학과 안지환 교수, 김현민 박사 연구팀은 중국 난징정보과학기술대(NUIST) 윤페이부(Yunfei Bu) 교수, 울산과학기술원(UNIST) 조승호 교수, 서울대 한정우 교수와 함께 고온에서도 무너지지 않는 '금속-금속' 구조 촉매를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료 분야 세계적 모바일바다이야기 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.
'고체 산화물 전지(Solid Oxide Cell)1)'는 700℃ 이상 고온에서 수소로 전기를 만들거나 이산화탄소를 유용한 화학물질로 바꾸는 친환경 에너지 장치다. 문제는 이 과정에서 핵심 역할을 하는 촉매가 쉽게 망가진다는 점이 릴게임골드몽 다. 기존 촉매는 '금속'과 '산화물'이 맞닿은 구조인데, 두 물질의 '결'이 맞지 않아 시간이 지나면 틈이 생기고, 결국 나노입자들이 뭉치거나 구조가 무너지게 된다. 마치 서로 다른 재질의 퍼즐을 억지로 끼워 맞춰 금이 가는 것과 비슷한 상황이었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 촉매의 구조 자체를 바꿨다. '금속'과 '산화물'을 붙 황금성사이트 이는 대신, '금속'과 '금속'을 연결한 '금속-금속' 계면2) 구조를 설계한 것이다. 이를 위해 '이중층 수산화물(Layered double hydroxide, 이하 LDH)3)'에 주목했다. 이 소재는 열을 가하면 구조가 재배열되는 특성이 있는데, 연구팀은 이 과정에서 금속 지지체와 나노입자가 하나로 결합된 안정적인 '금속-금속' 계면이 형성된다는 점을 사이다쿨 밝혀냈다.
이 원리를 바탕으로 연구팀은 코발트와 철이 결합된 합금 촉매를 구현했다. 이렇게 형성된 구조는 서로 다른 물질을 억지로 붙인 기존 방식과 달리, 금속끼리 단단하게 맞물려 고온에서도 쉽게 무너지지 않는 것이 특징이다.
실제로 이 촉매는 600℃ 이상 고온에서 성능을 안정적으로 유지했으며, 800℃에서는 단위 면적당 1.57W의 높은 출력 성능을 기록했다. 또한 산소 이온을 효과적으로 전달하는 소재와 결합했을 때 성능과 내구성이 동시에 향상되는 것도 확인됐다. 이는 장시간 운전에도 성능 저하가 적다는 의미다.
이번 연구는 저온 소재에 머물렀던 기술의 한계를 넘어, 고온 전기화학 분야로의 확장 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 상용화될 경우 수소 연료전지의 효율을 끌어올리고, 이산화탄소를 다시 연료로 전환하는 기술에도 새로운 돌파구가 될 전망이다. 특히 전력 소비가 급증하는 데이터센터 등에서 에너지 효율을 높이는 핵심 기술로 이어질 가능성도 주목된다.
김현민 박사는 "이 기술은 수소 연료전지를 넘어 이산화탄소 전환과 합성연료 생산 등 다양한 차세대 에너지 변환 분야에 적용할 수 있는 범용적 설계 전략이 될 것"이라고 전했다. 또한, 안지환 교수는 "고체산화물전지를 포함한 고온 전기화학 시스템에서 촉매 활성·내구성·연료 다양성 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 전극 설계 방향을 제시했다"며 "수소 경제와 탄소중립 에너지 기술 경쟁에서 국내 원천 소재·공정 기술 경쟁력 강화에 기여할 것"이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업 및 세종과학펠로우십의 지원으로 수행됐다.