▲ 연구내용 모식도 / 위 그림은 수행한 연구 전체를 표현하고 있다. 연구를 통해 밝혀낸 이온확산에 의한 입자성장 요인기반 모델링을 도식화했다. 제시한 모델을 통해 최적화한 소재는 연료전지에 적용되었고, 전기화학적 스위칭 기법을 통해 이온확산 및 입자성장을 극대화했다. 이를 통해 연료전지의 출력밀도가 크게 향상되었다.(그림설명 및 그림제공: 인천대학교 명재하 교수)

국내 연구진이 현존 연료전지 중 가장 효율이 높은 고체산화물 연료전지의 성능을 2배 이상 높인 차세대 연료전지를 개발했다.

한국연구재단은 인천대학교 명재하 교수 연구팀이 금속 나노촉매 기술을 활용하여 차세대 고체산화물 연료전지를 개발했다고 밝혔다.

연료전지는 탄소중립 시대에 주목받는 에너지원으로 특히 연료전지의 효율을 극대화하기 위해 촉매 반응성을 높이는 나노입자에 대한 연구가 활발하다. 특히 고온의 환원분위기에서 산화물의 상분리를 제어하여 금속 나노입자를 산화물 표면 위에 고르게 성장시키는 기술인 용출 나노입자의 크기와 수, 형상을 제어하는 게 핵심으로 나노입자 성장을 정량적으로 예측하고 제어하는 기술이 필요하다.

기존 연구들은 용출 나노입자의 이런 성장 메커니즘을 밝히기 위해 성장을 제한하는 요인에 대해 분석하였지만, 직접적인 증거를 제시하지 못했다.

명재하 교수팀은 나노 크기의 금속 입자를 산화물 표면 위에 고르게 용출시키는 지능형 촉매를 개발했다. 특히 이 촉매는 자가성장 기술을 활용함으로써 소량의 금속 사용으로도 균일하게 성장하여 반응활성 면적을 극대화하고, 촉매 특유의 소켓(Socket) 구조는 높은 온도에서도 뛰어난 내구성을 나타낸다. 또한 용출 소재의 내부구조를 분석하여 나노입자의 성장을 제한하는 요인을 밝히고, 촉매 성장을 정략적으로 제어할 수 있는 모델을 개발했다.

연구팀은 제시한 모델과 실험결과를 바탕으로 최적의 연료전지 전극 소재를 개발하였고, 고체산화물 연료전지에 적용했다.

연구팀이 자체 제작한 연료전지는 비촉매 연료전지 대비 2배 이상 높은 최대출력밀도를 나타냈으며 200시간 이상 장기내구성 평가에서 뚜렷한 열화 없이 안정적인 성능을 유지했다. 또한, 전기화학적 스위칭 기법을 이용하여 나노입자 성장을 극대화하고 느린 이온확산에 의한 성장 제한을 극복했다.

명재하 교수는 “해당 기술은 나노촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있어 연료전지뿐만 아니라 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해전지, 차세대이차전지, 개질촉매 등과 같은 다양한 에너지 변환기술에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 24일 게재되었다.