연료전지 성능 저하과정 추적 성공…수소차 가격 낮춘다

KAIST, 국제공동연구로 촉매 열화 과정 3차원 분석

갈륨 도핑된 백금-니켈 촉매 나노입자의 3차원 원자구조 및 촉매 활성 변화. KAIST 제공.

국내 연구팀이 수소를 연료로 사용하는 전기차의 촉매 성능이 떨어지는 원인을 찾아냈다. 고성능·고내구성 연료전지 개발을 앞당겨 미래 친환경 교통수단과 에너지 전환에 기여할 것으로 기대된다.

KAIST는 양용수 물리학과 교수와 조은애 신소재공학과 교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대, 로렌스버클리 국립연구소와의 국제 공동연구를 통해 연료전지 촉매 내부의 원자 움직임과 성능 저하 과정을 3차원으로 추적하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 

수소 연료전지는 탄소배출이 없는 차세대 친환경 에너지 기술이다. 촉매로 쓰이는 백금(Pt) 기반 합금이 주행 과정에서 성능이 점차 저하되는 ‘열화 현상’이 상용화의 걸림돌이다. 열화 원인이 규명되지 않으면 연료전지 교체 주기가 짧아진다. 수소차 가격을 낮추기 어려운 이유다. 

연구팀은 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다. 전자현미경을 이용해 촉매 입자를 다양한 각도에서 촬영한 뒤 인공지능(AI) 신경망을 통해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀 재구성하는 방식이다. 병원에서 컴퓨터단층촬영(CT)으로 인체 내부를 3차원으로 보는 것과 유사하다. 

연구팀은 "수천 개의 원자들이 연료전지 작동 과정에서 어떻게 이동하고 변형되는지를 생생하게 관찰했다"고 말했다. 

또 백금-니켈(PtNi) 합금 나노입자에 수천 번의 전기화학적 작동을 가한 후 각 단계별로 3차원 원자 구조를 분석했다. 그 결과 일반 PtNi 입자에서는 시간이 지나면서 입자 형태가 변형되고 니켈이 빠져나가면서 성능이 급격히 저하되는 현상이 나타났다.

반면 갈륨(Ga)을 소량 첨가한 촉매 입자에서는 이런 변화가 거의 발생하지 않았다. 초기 성능이 우수하고 오래 사용해도 안정성이 유지됐다. 촉매 내부 원자가 시간이 지나면서 어떻게 변하는지를 정량적으로 규명하고 성능 저하와 직결된다는 사실도 과학적으로 확인했다.

양 교수는 “이번 연구는 실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 첫 사례”라며 “그동안 이론 모델이나 시뮬레이션에 의존했던 기존 연구와 달리 실제 촉매 표면과 내부의 원자 구조 변화를 직접 측정했다는 점에서 큰 차별성이 있다”고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-025-63448-5

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]