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• KAIST, 알갱이 촉매를 종이처럼 펼쳐 수소에너지 판도 바꾼다

  송고일 : 2026-01-21
  
  
  
  
  

  왼쪽부터 KAIST 양현우 박사과정, 이상재 박사, 조은애 교수, 신동원 박사과정 /KAIST 제공 [투데이에너지 장재진 기자] KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 기존 알갱이 형태의 촉매 한계를 극복하고, 초박막 나노시트 구조로 수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 동시에 연료전지 성능과 내구성을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다. 이는 수소 에너지의 상용화를 가로막던 값비싼 귀금속 촉매 사용량 문제 해결에 결정적인 전환점이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 21일 KAIST에 따르면 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정에서 촉매는 '보이지 않는 엔진' 역할을 한다. 하지만 기존 촉매는 이리듐(Ir)과 백금(Pt) 등 희귀하고 값비싼 귀금속을 비효율적으로 사용하고 수명이 짧다는 고질적인 문제가 있었다. 촉매가 알갱이 형태로 뭉쳐 있어 실제 반응에 참여하는 면적이 제한적이었기 때문이다. 이에 조은애 교수 연구팀은 발상의 전환을 통해 촉매 재료가 아닌 '형태의 혁신'에 집중했다. 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 도입하여 이러한 한계를 돌파한 것이다. 초박막 나노시트 합성 모식도와 제작된 촉매의 투과전자현미경 이미지 /KAIST 제공 연구팀은 먼저 수전해 촉매로 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발했다. 이를 통해 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘려 더 적은 금속으로도 많은 수소를 생산할 수 있게 되었다. 또한, 전기가 잘 통하지 않아 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 나노시트들이 스스로 '전기가 다닐 수 있는 길'을 만들어 안정적인 촉매 받침대로 사용할 수 있도록 했다. 이러한 혁신적인 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도를 38% 향상시켰고, 이리듐 사용량을 약 65%까지 절감할 수 있음을 입증했다. 또한, 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건(1 A/cm²)에서도 1000시간 이상 안정적으로 작동하며 뛰어난 내구성을 보였다. 나아가 연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용했다. 백금-구리 촉매를 활용하여 백금 질량당 성능을 상용 촉매 대비 약 13배 높였으며, 실제 연료전지 셀에서는 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 5만 회 가속 내구성 시험 후에도 초기 성능의 약 65%를 유지하고 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현해 놀라운 결과를 얻었다. 조은애 교수는 "값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다"며 "이번 연구는 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 강조했다. 이번 연구는  산업통상부와 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 결과는 재료공학 분야 국제 학술지인 'ACS Nano'와 'Nano Letters' 온라인판에 각각 게재됐다. KAIST의 이번 연구는 특정 금속에 국한되지 않는 구조 설계 전략을 제시함으로써, 에너지 촉매 및 친환경 화학 공정 등 다양한 분야로 확장될 가능성을 보여주었다. ■ 용어 설명 ㆍ이리듐(Ir, Iridium)= 매우 희귀하고 값비싼 귀금속으로, 강한 산성 환경에서도 안정적인 특성을 가져 현재 PEM 수전해 양극 촉매로 사실상 유일하게 사용되고 있다. ㆍ지지체(Support)= 촉매 입자나 나노구조를 고정해 주는 물질로, 촉매의 분산성·안정성·내구성을 높이는 역할을 한다. ㆍ전기화학적 활성 표면적(ECSA, Electrochemically Active Surface Area)= 실제 반응에 참여할 수 있는 촉매의 유효 표면적을 의미하며, 값이 클수록 같은 양의 촉매로 더 높은 성능을 낼 수 있다.  
  
  
  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)