수소전기차 비싸고 수명짧은 이유 '이것'…전지 촉매 원자 이동 경로 3차원 추적 성공
수소연료전지는 에너지 효율이 높고, 이산화탄소를 배출하지 않는 차세대 친환경 에너지원이다. 수소자동차, 발전용 전지, 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다. 그러나 수소 전환을 위한 촉매 재료 원가가 너무 비싸다. 내구성(열화현상)이 떨어지는 것도 상용화의 큰 걸림돌이다. 현재 가장 높은 산소환원반응 효율을 보이는 촉매는 백금(Pt)이다. KAIST는 물리학과 양용수 교수와 신소재공학과 조은애 교수 공동 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 로런스 버클리 국립연구소와 공동으로 연료전지 촉매 내부의 원자 하나하나가 수천 번의 작동 사이클 동안 어떻게 움직이고, 어떤 방식으로 성능이 저하되는지를 3차원으로 직접 추적하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 양용수 교수는 "고성능·고내구성 연료전지 개발을 앞당기는 기반을 마련한 것"이라며 "미래 친환경 교통수단과 에너지 전환에 크게 기여할 것"으로 기대했다. 현재 수소차가 운행되고 있지만, 가격이 비싸고 촉매 열화 가속화로 전지 교체를 자주해야 되기 때문에 그다지 인기는 없다. 연구팀은 열화 원인 규명을 위해 원자 하나하나의 움직임을 3차원으로 관찰하기 위해 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다. 병원에서 사용하는 CT 단층촬영법이 여러 각도에서 X선 영상을 찍어 인체 내부를 3차원으로 보여주는 것과 같은 원리다. 전자현미경을 이용해 다양한 각도에서 고해상도 이미지를 촬영하고, 이를 인공지능 신경망과 결합해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀하게 재구성했다. 양용수 교수는 "수천 개에 달하는 원자들이 연료전지 작동 과정에서 어떻게 이동하고 변형되는지를 마치 눈으로 들여다보듯 생생하게 관찰했다"고 설명했다. 연구팀은 백금-니켈(이하 PtNi) 합금 나노입자에 수천 번의 전기화학 반응을 일으켜, 각 단계에서 일어나는 촉매 입자의 원자 구조 변화를 3차원으로 분석했다. 그 결과, 일반적인 PtNi 입자에서는 시간이 지남에 따라 입자 형태 변형되고, 니켈이 빠져나가 제 기능을 점차 잃어버리는 현상이 나타났다. 반면 갈륨 원소를 조금 섞어준 촉매 입자에서는 이러한 변화가 거의 없었다. 처음부터 성능도 더 뛰어나고, 오래 사용해도 제성능을 잘 유지했다. 양용수 교수는 “실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량 추적한 세계 최초 사례"라며 "실험적으로 관측하기 어려웠던 실제 촉매 표면과 내부의 3차원 원자 구조 변화를 직접 측정했다는 점에서 이론 모델이나 시뮬레이션에 의존했던 기존 연구들과 차별점을 갖는다”라고 강조했다. 양 교수는 “고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계의 핵심 기반이 될 것"이라며 "AI 기반 정밀 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 폭넓게 활용될 것”이라고 전망했다. 연구에는 KAIST 물리학과 정채화 박사, 이주혁 박사, 조혜성 박사, 신소재공학과 이광호 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 28일자에 게재됐다.
