수소 연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 '갑옷' 구조의 신형 백금 촉매가 개발됐다.
중국 과학기술대학교 리샨 펑, 칭준 첸 교수 연구팀은 철-질소-탄소(Fe-N-C) 화합물로 백금 촉매를 감싸 내구성을 크게 높이는 데 성공했다고 국제학술지 '중국 촉매학 저널' 최신호에 발표했다. 수소 연료전지는 백금 촉매의 높은 가격과 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 문제로 상용화에 어려움을 겪어왔다.
연구팀이 개발한 'PtFe/C@Fe-N-C' 촉매는 백금-철 합금(PtFe)을 핵(코어)으로 삼고, 그 주위를 철-질소-탄소(Fe-N-C) 화합물이 껍질(쉘)처럼 둘러싼 '코어-쉘' 구조다. 이 껍질이 물리적 보호막 역할을 해 연료전지 내부의 산성 환경으로부터 백금 입자가 녹거나 뭉치는 현상을 막는다.
특히 껍질과 핵 사이의 계면에서 발생하는 '5d-3d/2p 궤도 혼성화'라는 독특한 전자 효과가 백금 원자를 단단히 고정하는 것으로 나타났다. 이 상호작용은 촉매의 핵심 기능인 산소환원반응을 최적화하는 동시에 백금과 철 원자의 용해를 억제한다.
실제 성능 실험에서 이 촉매는 3만회의 가속 노화 시험 후에도 성능 저하가 거의 없었다. 수소-산소 연료전지에 적용한 시험에서는 3만회 작동 후 성능 감소율이 2.7%에 그쳤다. 이는 동일 조건에서 성능이 54% 감소한 상용 백금-탄소 촉매보다 월등한 결과다.
연구팀이 달성한 최고 출력 밀도는 2.03W/㎠, 질량 활성도는 0.75A/mg로, 미국 에너지부(DOE)가 설정한 2025년 기술 목표치를 넘어섰다.
이번 연구는 촉매의 수명을 극적으로 연장해 연료전지의 장기적인 비용을 절감하고, 친환경 운송 및 발전 분야로의 도입을 가속할 핵심 전략을 제시했다는 평가를 받는다.