수소연료전지 상용화 및 친환경 에너지 사회 앞당길 기술
전기화학적 액상 투과전자현미경 통해 백금-탄소 촉매 열화 과정 관찰
화학 분야 최고 권위 국제 학술지 ‘미국 화학회지’ 논문 게재
서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 박정원, 류재윤 교수팀이 현대자동차와의 공동연구를 통해 수소연료전지 촉매의 내구성을 신속하게 평가하고, 열화 원인을 규명할 수 있는 혁신적 기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 그 탁월성을 인정받아 지난해 12월 24일 화학 분야의 최고 권위 국제 학술지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 온라인 게재됐다.
수소를 연료로 전기를 생산하며 순수한 물만 반응 부산물로 배출하는 청정 에너지 시스템을 갖춘 수소연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 화석연료를 대체할 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 특히 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도의 차별화된 강점 덕분에 기존 전기자동차의 주행거리와 충전 시간 문제를 보완할 수 있는 차세대 기술로 각광받고 있다.
그러나 전기 생산 반응을 촉진하는 핵심 재료인 연료전지 촉매는 사용 과정에서의 구조적 손상 혹은 촉매 소실로 인해 점차 성능이 감소하는 열화(劣化, degradation) 현상을 수반한다. 이 열화는 수소연료전지 상용화의 큰 걸림돌로 작용하는데, 전지의 수명과 안정성을 저하시켜 시스템의 경제성 감소와 출하 비용 상승을 불러오기 때문이다.
따라서 촉매의 내구성을 높이고 수소연료전지를 안정적으로 장기간 구동하기 위한 근본적 해결책은 열화 원인의 규명이다. 그러나 수소연료전지가 구동되며 전기가 흐르는 액체 전해질 환경에서 수 나노미터 크기 촉매의 구조적 변화를 직접 관찰하는 규명 작업은 기술적으로 매우 어려운 도전 과제로 남아있었다.
이에 서울대-현대자동차 공동 연구팀은 수소연료전지 촉매의 내구성을 고속으로 평가할 수 있는 ‘전기화학적 액상 투과전자현미경(Electrochemical Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy; e-LCTEM)’ 분석법을 개발했다. 촉매가 겪는 연속적 열화 과정을 시간에 따라 고해상도로 추적 관찰하는 이 기술을 활용하면 기존에는 수만 킬로미터의 주행이 필요했던 수소연료전지 차량의 내구성 평가를 수 시간 이내에 끝낼 수 있다. 평가 비용을 획기적으로 절감하면서도 나노미터 수준의 정밀성이 요구되는 촉매 내구성 검증은 더욱 효율적으로 진행할 수 있는 길이 열린 것이다.
한편 수소연료전지의 대표적 촉매인 ‘백금 나노입자 탄소 담지체 하이브리드 촉매(Pt/C)’는 백금 나노입자가 탄소 담지체에 고르게 분포된 구조를 갖는다. 백금 입자의 표면적이 극대화된 해당 구조는 백금의 높은 활성을 유지하면서도 많은 비용이 드는 백금의 사용량을 줄일 수 있고, 탄소 담지체를 통해 높은 전도성도 확보할 수 있는 강점을 갖췄다. 그러나 이 촉매는 수소연료전지를 장기간 구동할 때 백금 입자의 용해, 이동, 응집, 탈착, 그리고 탄소 담지체의 부식이 동시에 일어나는 복잡한 열화 메커니즘을 보인다. 이 같은 촉매 열화와 그로 인한 성능 저하는 수소연료전지의 상용화를 가로막는 중대한 걸림돌이지만 그 메커니즘은 이제까지 명확히 규명된 바 없었다.
새로 개발한 ‘전기화학적 액상 투과전자현미경’ 분석법을 통해 이 문제의 해결에 나선 연구팀은 전지가 구동되며 전기가 흐르는 환경에서 백금-탄소 촉매(Pt/C)가 겪는 연속적 열화 과정을 시간에 따라 고해상도로 추적 관찰했다. 기존 연구들이 연료전지 구동 전후의 촉매 구조를 단편적으로 비교하는 데 그쳤다면, 이번 연구에서는 정확한 연속적 열화 메커니즘을 규명하기 위해 구동 조건에서 실시간으로 구조 변화를 관찰하는 차별화가 이뤄졌다.
그 결과, 백금 나노입자의 용해와 탄소 담지체 부식이 모두 유도되는 전압 환경에서 크기가 작은 백금 나노입자들은 높은 이동성을 보이며 주변 입자들과 뭉쳐지거나 담지체에서 이탈하는 반면, 크기가 큰 입자들은 낮은 이동성을 나타내며 높은 구조 안정성을 보인다는 점이 확인됐다. 이는 이동성 기반 열화 메커니즘에 촉매 입자의 크기가 중요한 영향을 미친다는 사실을 시사한다. 한편 이번 연구 과정에서는 작은 백금 나노입자들이 뭉쳐 만들어진 응집 입자의 열화 과정도 최초로 관찰됐으며, 이 응집 입자는 그 크기가 증가했음에도 높은 이동성을 보이며 최종적으로 담지체에서 떨어져 나간다는 사실도 확인됐다.
연구를 지도한 박정원 교수는 “해당 연구는 수소연료전지 촉매의 내구성을 신속하고 정확하게 평가할 수 있는 기반을 마련함과 동시에, 촉매 성능 저하의 근본 원인을 새롭게 조명했다는 점에서 의미가 깊다”고 밝혔다.
연구를 공동 지도한 류재윤 교수는 “촉매의 열화 원인을 정확히 이해하고 그 개선 방향을 제시한 이번 연구를 계기로 향후 더 안정적이고 효율적인 고성능 수소연료전지 시스템이 개발되리라 기대한다”면서 “나아가 이번 성과가 지속 가능한 친환경 에너지 사회를 앞당기는 데 기여할 것으로 전망된다”고 말했다.
특히 이번 연구 결과는 서울대가 2024년 1~9월 글로벌 수소차 판매 1위를 기록하는 등 수소연료전지 자동차 개발 및 상용화를 선도하는 현대자동차와 함께 일군 산학협력 성과라는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 연구팀에 따르면 차세대 연료전지 개발 과정에서 촉매 열화의 근본 원인을 규명할 필요성을 느낀 현대차와 ‘액상 투과전자현미경 분석법’에 있어 세계적으로 손꼽히는 기술력을 보유한 서울대 박정원 교수 연구팀은 3년 이상 협업을 이어왔다. 이번 공동 연구가 최첨단 분석법 개발 및 연료전지 촉매 열화 현상 규명이라는 결실을 맺은 데에는 양 기관의 기술력이 시너지를 발휘한 점이 주효했다는 평가다.
이번 연구의 주저자인 김성인 박사는 서울대학교 화학생물공학부에서 박사학위 취득 후 코넬대학교에서 박사후연구원으로 연구 활동을 이어가고 있다. 특히 후속연구로 ‘전기화학적 액상 투과전자현미경 기법’을 더욱 발전시켜 수소연료전지뿐만 아니라 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시키는 촉매, 리튬 기반 이차전지, 수계 이차전지 등 환경 문제 해결에 있어 최근 각광받고 있는 에너지 재료를 실시간 고도 분석하는 연구를 진행하고 있다.
