최근 국내 연구진이 양자역학 계산과 나노 촉매 합성 기술을 사용하여 백금을 대체할 수 있는 이리듐(Ir, Iridium) 기반 합금 촉매를 개발해 연료전지 내구성을 향상시키는데 성공했다.

7일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 연료전지연구센터 유성종, 함형철 박사팀은 양자역학 계산을 사용해 소재를 구성하는 원자와 전자 구조의 물리·화학적 제어를 통해 촉매 내부에 크롬이 추가된 이리듐 표면 단층 촉매를 도출했다.

또한 이를 나노 수준의 전기화학 실험을 통해 성공적으로 합성해 기존 순수 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하고 안정성은 백금 수준 이상으로 증가했다는 것을 확인했다. 

KIST 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 이리듐을 활용, 다양한 전이금속을 첨가하고 촉매 내부 및 표면의 원자 분포를 변화시켰다. 촉매 성능과 내구성을 양자역학 계산을 사용해 예측하여본 결과, 촉매 내부에 크롬이 주입된(Doping) 이리듐 표면 단층 촉매가 산소 친화력을 감소시키고 동시에 내구성을 향상시켜 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다.

KIST 함형철 박사는 “이번 연구는 연료전지 촉매 소재의 활성과 내구성 향상에 대한 원리 규명 및 초고속 후보 물질의 탐색에 있어서 양자 역학 계산의 중요성을 확인해주는 결과”라며 “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재됐다.