서울과학기술대학교(총장 이동훈, 이하 서울과기대) MSDE학과 안지환 교수팀(제1저자 신정우, 오성국, 이성제 연구원/공동저자 고도현, 양병찬, 김형준 연구원)이 최신 반도체 공정을 활용해 기존 촉매보다 성능 및 내구성이 향상된 신개념 연료전지 촉매 개발 및 적용에 성공했다.

▲좌측부터 안지환 교수, 신정우, 오성국, 이성제 연구원

연료전지는 최근 관심이 집중되고 있는 수소 기반 경제 및 수소 전기차의 핵심 시스템으로써 높은 효율로 전기 에너지 변환이 가능하면서도 환경적으로 청정하다는 장점으로 인해 최근 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 귀금속 소재 기반의 촉매층은 연료전지 막(MEA)의 핵심 요소로 이의 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 것이 매우 중요하다.

안지환 교수팀은 기존의 백금 촉매 입자 표면에 원자층 증착 공정을 이용하여 매우 얇은(<5nm) 다공성 세륨 산화막 층을 그물과 같은 형상으로 코팅하였다. 

원자층 증착법은 최신 반도체 공정 중의 하나로 얇은 막을 원자층 단위로 정밀하게 증착할 수 있는 기술이다. 이를 통해 기존 백금 촉매 전극 대비 성능 손실을 최대 50% 감소시키면서도 열적 안정성을 2배 가량 향상시킨 백금-세륨 산화막 복합 촉매 전극을 제작하였고, 이를 전고체형 박막 연료전지에 적용하여 500℃의 구동온도에서 0.8W/cm2 의 높은 성능을 구현하였다. 

▲원자층 증착공정이 적용된 백금-세륨산화물 촉매 표면 반응 모식도

본 연구 결과는, 백금과 세륨 산화막 간의 상호 작용으로 인한 촉매 반응성 향상 및 원자층 증착된 세륨 산화막의 백금 표면 안정화로 인한 것으로 보이며, 기존의 공정 대비 대면적화 및 양산이 용이한 공정을 사용함으로써 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구개발 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 응용 소재 분야 최우수 저널인 ACS Applied Materials and Interfaces 의 표지 논문(supplementary cover article)으로 선정되었다. 본  연구는 과기정통부 신진연구자지원사업과 산업통상자원부 창의융합특성화사업 및 고신뢰성 기계부품 전문인력양성사업의 지원을 받아 수행되었고, 안지환 교수팀 외에도 미국 스탠포드대 박준석 박사가 참여했다.