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< (윗줄 왼쪽부터) 양용수 교수, 조은애 교수, 정채화 박사, (아랫줄 왼쪽부터) 이주혁 박사, 조혜성 박사, 이광호 연구원 > [사진=KAIST]

국내 연구진이 수소전기차의 핵심 부품인 연료전지 촉매가 시간이 지나면서 성능이 떨어지는 이유를 원자 단위에서 찾아냈다. 이번 성과는 연료전지의 수명을 늘리고, 수소차 가격을 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다.

KAIST 양용수 물리학과 교수와 조은애 신소재공학과 교수 연구팀은 미국 스탠퍼드대·로렌스버클리 국립연구소와 함께 연료전지 촉매 속 원자들의 움직임을 3차원으로 직접 관찰하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 실렸다.

수소연료전지는 주행 중 탄소를 배출하지 않는 친환경 기술이다. 하지만 촉매로 쓰이는 백금(Pt) 합금은 시간이 지나면서 성능이 줄어드는 ‘열화 현상’이 문제였다. 연구팀은 전자현미경으로 촉매를 촬영한 뒤, 인공지능(AI) 분석을 통해 원자들의 위치 변화를 정밀하게 3차원으로 재구성했다.

실험 결과, 일반 백금-니켈(PtNi) 촉매는 시간이 지나며 형태가 변하고 니켈이 빠져나가 성능이 크게 떨어졌다. 반면 갈륨(Ga)을 소량 넣은 촉매는 구조 변화가 거의 없어 초기 성능과 내구성이 모두 뛰어난 것으로 확인됐다.

양 교수는 “세계 최초로 실제 촉매 속 원자 구조 변화를 직접 추적했다는 데 의의가 있다”며 “이번 연구는 더 오래 쓰고 성능이 좋은 연료전지 개발로 이어질 것”이라고 말했다.

이번 기술은 수소차뿐 아니라 배터리, 반도체 등 다른 첨단 소재 연구에도 폭넓게 활용될 수 있을 전망이다.