정남기 교수

연료전지용 백금 촉매는 일산화탄소(CO) 피독과 산소환원반응(ORR) 과정에서 발생하는 성능 및 내구성 저하가 주요 한계로 지적되어 왔습니다. 이를 해결하기 위해 백금-코발트(Pt-Co) 나노입자 표면에 다공성 탄소쉘을 코팅한 이중 코어-쉘 구조를 설계하여 선택적 수소 산화 반응을 유도하고 산소 투과를 억제함으로써 전기화학적 안정성을 확보했습니다. 관련 기술로 이중 코어쉘 Pt-Co 촉매(수소산화반응 선택성), 백금계 수소산화반응 촉매 제조방법, 백금계 산소환원반응 촉매 제조방법 등 다수의 특허를 등록했습니다. 해당 기술은 PEMFC MEA, PAFC 전극, 수소전기차용 연료전지 애노드에 적용되고 있습니다. 현대자동차(현대엔지비)와 연료전지 정지·시동 내구성을 극대화하는 신규 애노드 촉매를 공동 개발하고 있으며, KIST와는 유무기 하이브리드 코어-쉘 촉매 공동 연구를 수행하고 있습니다. 캐소드 촉매 활성은 560 mA/mgPt 이상, MEA 내구성은 1.6 A/cm2 이상의 목표 수준을 확보했으며, 백금 함량을 55% 감소시키면서도 기존 촉매 수준의 활성을 유지하는 성과를 달성했습니다.

수전해를 비롯한 수소 생산 공정에서는 전기촉매가 고전위 조건에 노출되면서 구조적 안정성을 확보하는 것이 핵심 과제로 남아 있습니다. 이를 해결하기 위해 금속-유기 골격체(MOF)로부터 유래한 ZrO2-x, CeO2-x 등의 산화물 지지체 위에 루테늄(Ru) 촉매를 합성하여 금속-지지체 상호작용을 통해 촉매 성능을 향상시키는 방법론을 개발했습니다. 해당 기술은 수전해 MEA 및 수소 생산 시스템에 적용되고 있습니다. 한국에너지기술연구원(KIER), 한국화학연구원(KRICT) 등과 수전해 MEA 핵심 소재 연구를 공동으로 수행하고 있습니다. Ru-ZrCeO2-x 촉매는 고전위 주사(HPS) 조건에서 기존 촉매 대비 우수한 구조적 안정성을 입증했습니다. 이러한 접근은 기존 탄소 지지체 기반 촉매가 고전위 환경에서 겪는 부식 및 응집 문제를 완화하는 데 기여합니다. 현재 TRL 3-4 단계의 기초 검증 연구가 진행되고 있으며, 금속-지지체 상호작용 최적화를 통한 성능 개선 연구가 이어지고 있습니다.

백금 사용량 저감과 대량 생산이 가능한 합금 촉매 기술은 PAFC 발전용 전극 등 상용화 단계에서 필수적인 과제로 대두되고 있습니다. 이를 위해 CO 분위기 열처리를 통해 Pt1Co4 조성의 저백금 합금 나노입자 표면 원자를 재배열하여 백금 농축 표면 구조를 형성하는 기술을 개발했습니다. 이를 기반으로 월 300kg 이상의 대량 생산이 가능한 백금합금 나노촉매 기반 PAFC 전극 기술개발 과제를 다수 수행했습니다. 해당 기술은 PAFC 발전용 전극 및 저백금 대량생산 촉매 양산에 적용되고 있습니다. 한국전력공사 전력연구원 등과 에너지 전환 시스템용 하이브리드 나노입자 연구를 수행하고 있으며, 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 연구를 진행하고 있습니다. 개발된 촉매는 전기화학적 활성 표면적(ECSA) 15 m2/g 이상을 확보했으며, 1,000시간 내구성 시험에서 전압 강하 0.150V 이하의 목표 수준을 달성했습니다.