카이스트·서울대, 전기장 조절만으로 연료전지 효율 4배 높였다

금속 양이온 전기장에 의한 Fe 포피린 촉매 반응성 향상 시각화 [AI로 만든 이미지]

카이스트·서울대 연구팀이 배터리와 수소연료전지의 핵심 반응 효율을 대폭 끌어올릴 수 있는 촉매 설계 기술을 개발했다. 촉매 자체의 구조를 바꾸지 않고 주변 전기장 환경만 조절해 성능을 높인 방식으로, 차세대 에너지 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 평가된다.
 
카이스트는 화학과 황승준 교수팀과 서울대 화학부 류재윤 교수팀이 촉매 주변에 양이온(+)을 배치해 국소 전기장을 형성하는 방식으로 산소 환원 반응(ORR) 선택성을 기존 12%에서 최대 52%까지 끌어올리는 데 성공했다고 1일 밝혔다.
 
산소 환원 반응은 수소차용 연료전지와 금속-공기 전지 등 차세대 에너지 장치에서 전기를 생산하는 핵심 과정이다. 기존 연구에서는 금속 종류를 철(Fe)에서 코발트(Co)나 니켈(Ni)로 교체하거나 리간드 구조를 새롭게 설계하는 방식으로 성능을 개선해왔다. 이번 연구는 촉매 재료나 형태 변경 없이 전기적 환경 조절만으로 반응 특성을 정밀 제어했다는 점에서 차별화된다.
 

연구팀은 이번 원리가 이산화탄소(CO₂)나 수소를 유용한 물질로 전환하는 촉매 기술에도 적용 가능하다고 보고 있다. 탄소 저감 기술과 친환경 수소 생산 분야로의 확장도 기대된다.
 
황승준 교수는 "촉매 자체의 구조를 바꾸지 않고도 주변의 전기적 환경만으로 반응 특성을 정교하게 제어할 수 있음을 보여준 사례"라며 "차세대 배터리와 연료전지, 친환경 에너지 촉매 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.
 
포스텍 조휘율·강봄 박사과정생과 카이스트 김동영 박사후연구원이 공동 1저자로 참여한 이 연구는 미국화학회지(JACS)에 지난달 12일 온라인 게재됐다. 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.