가상공학을 활용한 수소자동차용 연료전지 촉매 설계

ChemSusChem(켐서스켐) 표지논문. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(원장 정연길)은 가상공학센터 조성범 박사와 美 세인트루이스 워싱턴대학교(총장 Andrew Martin) Rohan Mishra(로한 미쉬라), Vijay Ramani (비제이 라마니) 교수 공동연구팀은 최근 세라믹 소재를 기반으로 하는 수소자동차용 연료전지 촉매를 설계하고 이를 실험으로 구현해냈다고 지난달 8일 밝혔다.
수소자동차용 촉매는 현재 백금과 활성탄을 사용하고 있으나, 시동을 켜고 끄는 과정에서 고전압에 노출되어 서서히 활성탄이 파괴되는 문제점이 있어 수소자동차의 내구성에 큰 발목을 잡고 있다. 최근 백금에 버금가는 효율을 가진 값싼 촉매 중 전이금속-질소 클러스터 연구가 활발히 되고 있으나, 전이금속-질소 클러스터 촉매 역시 활성탄을 활용하고 있기 때문에, 수소자동차의 내구성 문제는 풀지 못하고 있다.
공동 연구팀은 내구성 문제를 해결하기 위해 가상공학 시뮬레이션 프로그래밍을 통해 전기화학적으로 내구성이 뛰어난 세라믹 소재를 기반으로 하는 최적의 촉매 소재를 찾았다. 전기화학적 안정성이 좋은 티타늄카바이드(TiC) 소재의 표면에 다양한 전이금속과 질소 화합물을 대체한 뒤 양자역학계산을 통해 촉매의 성능을 예측하고 실험을 통해 분석하였다. 그 결과, 기존 활성탄 기반의 전이금속-질소 소재보다 20% 이상 촉매 성능이 뛰어나면서도 3.5배 이상 내구성이 향상되어 1,000회의 반복 테스트에서도 성능저하가 거의 없다는 결과가 나왔다.
또한, 세라믹 소재를 기반으로 설계되었기 때문에 기존의 촉매 이론과는 다르게 정전기적 특성이 매우 강하게 관여하는 것을 밝혀내었고, 이를 활용해 촉매의 성능을 대략적으로 예측할 수 있는 기술도 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.
연구 성과는 에너지 및 화학분야의 학술지인 ‘ChemSusChem’ 2021년 11월호 표지논문으로 게재됐고 평가 위원이 선정하는 가장 중요 논문인 VIP 논문으로도 선정됐다.