700℃ 고온서도 끄떡없다⋯포스텍, ‘금속-금속’ 합금 촉매 개발

연구 이미지. /포스텍 제공

국내 연구진이 이산화탄소를 연료로 바꾸거나 수소로 전기를 만드는 차세대 에너지 장치의 고질적 약점이었던 ‘촉매 내구성’ 문제를 해결할 원천 기술을 개발했다. 

포항공과대학교(이하 포스텍) 기계공학과 안지환 교수·김현민 박사 연구팀은 중국 난징정보과학기술대(NUIST), UNIST(울산과학기술원), 서울대 연구팀과 공동으로 고온에서도 버티는 ‘금속-금속’ 접합 구조 촉매를 구현하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 

그동안 수소 연료전지나 이산화탄소 전환 장치에 쓰이는 ‘고체 산화물 전지(SOC)’는 촉매가 쉽게 망가지는 것이 상용화의 걸림돌이었다. 기존 촉매는 ‘금속’ 나노입자를 ‘산화물’ 지지체 위에 붙인 구조인데, 고온에서 두 물질의 결이 맞지 않아 틈이 생기거나 입자가 뭉치면서 성능이 급격히 떨어졌다.

연구팀은 발상을 전환해 촉매 구조를 ‘금속’과 ‘금속’이 직접 맞물리는 계면 구조로 설계했다. ‘이중층 수산화물(LDH)’ 소재에 열을 가해 금속 지지체와 나노입자가 하나로 단단히 결합하도록 유도한 것이다.

실험 결과, 이 합금 촉매는 600℃ 이상 고온에서도 성능을 안정적으로 유지했으며 800℃에서는 단위 면적당 1.57W의 높은 출력을 기록했다. 장시간 운전에도 구조 붕괴가 거의 없어 내구성이 획기적으로 향상됐음을 입증했다.

안지환 교수는 “고온 전기화학 시스템에서 촉매의 활성과 내구성을 동시에 해결할 수 있는 새로운 전극 설계 방향을 제시했다”며 “이산화탄소 감축과 수소 에너지 생산 등 탄소중립 기술의 국가 경쟁력을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]