한국세라믹기술원은 세라믹 소재를 기반으로 성능을 높인 수소자동차용 연료전지 촉매를 설계했다고 8일 밝혔다.

현재 수소자동차용 촉매는 백금과 활성탄을 사용하고 있다.

그러나 시동을 켜고 끄는 과정에서 고전압에 노출돼 서서히 활성탄이 파괴되는 문제를 안고 있으며 이로 인해 수소자동차의 내구성이 떨어진다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 가상공학 시뮬레이션 프로그래밍을 통해 내구성이 뛰어난 세라믹 소재의 촉매 소재를 찾았다.

연구팀은 전기화학적 안정성이 좋은 티타늄 카바이드(TiC) 소재의 표면에 다양한 전이 금속(타이타늄, 철, 니켈 코발트 등)과 질소 화합물을 대체한 뒤 양자역학 계산을 통해 촉매의 성능을 예측하고 실험을 통해 분석했다.

그 결과 기존 활성탄 기반의 전이 금속-질소 소재보다 촉매 성능이 20% 이상 뛰어나면서 내구성이 3.5배 이상 높은 것으로 나타났다.

특히 1천 회 반복 테스트에서도 성능저하가 거의 없었다.

세라믹 소재를 기반으로 설계돼 기존 촉매 이론과는 다르게 정전기적 특성이 매우 강하게 관여하는 것을 밝혀졌다.

연구팀은 이를 활용해 촉매의 성능을 대략 예측할 수 있는 기술도 개발했다.

연구 성과는 에너지 및 화학 분야의 세계적인 학술지인 켐서스켐(ChemSusChem) 2021년 11월호 표지논문으로 게재됐다.

연구팀 조성범 박사는 "수소자동차 연료전지용 촉매설계 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다"고 말했다.