친환경 수소연료전지 효율 8배 키워

 
고려대는 이광렬 화학과 교수 연구팀이 이상욱 성균관대 화학공학과 교수 연구팀과 공동으로 이차원 백금 텔룰라이드(PtTe₂) 기반 촉매를 개발해 친환경 수소전기차의 핵심 연료를 더 효율적으로 생산하게 됐다고 5일 밝혔다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 에너지 장치로, 수소전기차와 차세대 분산형 전원 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있다. 연료전지의 성능과 수명은 산소환원반응에 크게 좌우되는데, 이 반응은 속도가 느리고 장시간 구동 시 촉매 열화가 발생하기 쉬워 고성능·고내구성 촉매 개발이 필수적이다. 

현재 널리 사용되는 백금 합금 촉매의 성능 향상을 위해 조성(물질 배합 비율)·입자 구조를 조절해 왔지만, 촉매 표면의 전자구조와 반응 중간체 흡착 특성을 정밀하게 제어하는 데에는 여전히 어려움이 있었다.

연구팀은 백금과 텔루륨으로 이루어진 2차원 백금 텔루라이드(PtTe₂) 나노시트의 성장 경로를 정밀하게 제어했다. 이를 바탕으로 산소환원반응에 최적화된 백금(Pt)-텔루륨(Te) 배위 환경(촉매 내부의 원자 배치 상태)과 전자구조를 제공하는 촉매 설계 전략을 제안했다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 백금 합금 촉매와 비교해 8배 높은 활성도(1.22 A mgPt⁻¹)를 나타냈다. 특히 5만 회에 달하는 구동 테스트를 진행한 결과, 장시간 가동에도 성능 저하가 거의 없는 압도적인 내구성을 증명했다. 

이광렬 교수는 “이번 연구는 백금 기반 촉매의 성능을 단순히 조성 조절로 향상시키는 데 그치지 않고, 귀금속 칼코게나이드의 결정 성장과 전자구조를 함께 제어했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 수소연료전지용 고성능·고내구성 촉매 개발에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 나노화학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘ACS nano(IF=16.1, JCR 상위 분야 10%)’ 온라인에 논문명 'Lattice Mismatch Guided, Confined Growth of Ultrathin PtTe2 Nanosheets for an Enhanced Oxygen Reduction Reaction'으로 5월 5일 게재됐다. 

이광렬 교수는 무기·나노화학 분야의 세계적 연구자로 ‘다성분 나노입자 구조론 연구단’을 이끌며 전기화학 촉매, 수소 발생 반응(HER), 산소 환원 반응(ORR), 이산화탄소 전환 촉매 등 차세대 에너지 소재를 연구하고 있다.

1992년 KAIST 화학과 졸업, 1997년 미국 일리노이주립대 화학과 박사 학위를 받아, 2003년부터 고려대 화학과 교수로 재직 중이다. 대한화학회 기획부회장, 무기화학분과회장 역임했으며, 2025년 ‘세계 최상위 2% 연구자(World Top 2% Scientist)’ 선정, 김기문 학술상을 수상했다. 저술 활동으로 '화학자 K의 추리 과학실', '사춘기는 처음이라', '초등일타과학' 등 과학 대중서를 다수 출간했다.