▲ 이번 연구 성과는 에너지 및 화학분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem(켐서스켐) 2021년 11월호 표지논문으로 게재됐다.

국내 연구진이 가상공학 시뮬레이션을 통해 내구성이 뛰어난 세라믹 소재 기반 수소차용 연료전지 촉매를 개발했다.

한국세라믹기술원(원장 정연길) 조성범 박사와 美 세인트루이스 워싱턴대학교 로한 미쉬라, 비제이 라마니 교수 공동연구팀은 가상공학을 활용한 수소차용 연료전지 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

수소차용 촉매는 현재 백금과 활성탄을 사용 중이다. 그러나 시동을 켜고 끄는 과정에서 고전압에 노출, 서서히 활성탄이 파괴되는 내구성 문제가 있었다.

최근 백금에 버금가는 효율을 가진 값싼 촉매 중 전이금속-질소 클러스터 연구가 활발히 진행되고 있으나, 전이금속-질소 클러스터 촉매 역시 활성탄을 사용해, 수소차 내구성 문제는 풀지 못했다.

이에 공동 연구팀은 가상공학 시뮬레이션 프로그래밍을 통해 전기화학적으로 내구성이 뛰어난 세라믹 소재를 기반으로 하는 최적의 촉매 소재를 찾았다고 밝혔다.

전기화학적 안정성이 좋은 티타늄카바이드(TiC) 소재 표면에 다양한 전이금속과 질소 화합물을 대체한 뒤 양자역학계산을 통해 촉매의 성능을 예측하고 실험을 통해 분석했다.

그 결과, 기존 활성탄 기반 전이금속-질소 소재보다 20% 이상 촉매 성능이 뛰어나고 3.5배 이상 내구성이 향상, 1,000회의 반복 테스트에서도 성능저하가 거의 없다는 결과가 나왔다.

또, 세라믹 소재를 기반으로 설계되었기 때문에 기존의 촉매 이론과는 다르게 정전기적 특성이 매우 강하게 관여하는 것을 밝혀냈고, 이를 활용해 촉매의 성능을 대략적으로 예측가능한기술도 개발했다.

한국세라믹기술원 조성범 박사는 “이번 연구는 가상공학 시뮬레이션을 통해 설계하고 검증을 했다는 것이 핵심”이라며, “수소자동차 연료전지용 촉매설계 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 에너지 및 화학분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem(켐서스켐) 2021년 11월호 표지논문으로 게재되었으며, 평가 위원이 선정하는 가장 중요 논문인 VIP(Very Important Paper) 논문으로도 선정됐다.