□ 한국세라믹기술원(원장 정연길) 조성범 박사와 美 세인트루이스 워싱턴대학교(총장 Andrew Martin) Rohan Mishra(로한 미쉬라), Vijay Ramani (비제이 라마니) 교수 공동연구팀은 최근 세라믹 소재를 기반으로 하는 수소자동차용 연료전지 촉매를 설계하고 이를 실험으로 구현해냈다.
               
 ○ 수소자동차용 촉매는 현재 백금과 활성탄을 사용하고 있으나, 시동을 켜고 끄는 과정에서 고전압에 노출되어 서서히 활성탄이 파괴되는 문제점이 있어 수소자동차의 내구성에 큰 발목을 잡고 있다.
 
 ○ 최근 백금에 버금가는 효율을 가진 값싼 촉매 중 전이금속-질소 클러스터* 연구가 활발히 되고 있으나, 전이금속-질소 클러스터 촉매 역시 활성탄을 활용하고 있기 때문에, 수소자동차의 내구성 문제는 풀지 못하고 있다.
    * 전이금속-질소 클러스터 : 전이금속(타이타늄, 철, 니켈 코발트 등) 원자와 질소 원자가 결합을 이루고 있는 구조 
 
□ 공동 연구팀은 내구성 문제를 해결하기 위해 가상공학 시뮬레이션 프로그래밍을 통해 전기화학적으로 내구성이 뛰어난 세라믹 소재를 기반으로 하는 최적의 촉매 소재를 찾았다.
 
 ○ 전기화학적 안정성이 좋은 티타늄카바이드(TiC) 소재의 표면에 다양한 전이금속과 질소 화합물을 대체한 뒤 양자역학계산을 통해 촉매의 성능을 예측하고 실험을 통해 분석하였다.

 ○ 그 결과, 기존 활성탄 기반의 전이금속-질소 소재보다 20% 이상 촉매 성능이 뛰어나면서도 3.5배 이상 내구성이 향상되어 1,000회의 반복 테스트에서도 성능저하가 거의 없다는 결과가 나왔다.
 
 ○ 또한, 세라믹 소재를 기반으로 설계되었기 때문에 기존의 촉매 이론과는 다르게 정전기적 특성이 매우 강하게 관여하는 것을 밝혀내었고, 이를 활용해 촉매의 성능을 대략적으로 예측할 수 있는 기술도 개발했다.

□ 한국세라믹기술원 조성범 박사는 “이번 연구는 가상공학 시뮬레이션을 통해 설계하고 검증을 했다는 것이 핵심”이라며, “수소자동차 연료전지용 촉매설계 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다.”고 말했다.
 
□ 한편, 이번 연구 성과는 에너지 및 화학분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem(켐서스켐) 2021년 11월호 표지논문으로 게재되었으며, 평가 위원이 선정하는 가장 중요 논문인 VIP(Very Important Paper) 논문으로도 선정되었다.