성균관대학교 화학공학과 이상욱 교수 연구팀(공동 1저자 석준호 박사과정, 조성찬 박사)은 고려대학교 이광렬 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 연구팀과 함께 수소연료전지의 성능 저하와 내구성 문제를 동시에 개선할 수 있는 차세대 백금 기반 촉매를 개발했다. 이번 연구 결과는 재료·에너지 분야의 세계적인 학술지 Advanced Materials(IF=26.8)에 2026년 1월 6일 온라인 게재됐다.

수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 대표적인 친환경 에너지 기술로, 그 성능과 내구성은 연료전지 양극에서 일어나는 산소환원반응에 크게 좌우된다. 그러나 산소환원반응은 반응 속도가 느리고, 장시간 구동 시 촉매의 구조 변화와 성능 저하가 나타나 상용화 확대의 걸림돌로 지적돼 왔다.

특히 기존 백금 기반 인터메탈릭 촉매는 구조적 안정성이 우수하다는 장점이 있지만, 원자 조성과 배열을 정밀하게 조절할 수 있는 범위가 제한적이어서 전자구조를 세밀하게 제어하는 데 한계가 있었다. 이 때문에 수소전기차와 같은 고부하 운전 조건에서는 높은 활성과 장기 내구성을 동시에 확보하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 백금 기반 인터메탈릭 촉매의 구조적 안정성은 유지하면서도, 원자 조성과 전자구조를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제안했다. 이를 바탕으로 백금(Pt)·코발트(Co)·망간(Mn)으로 구성된 삼원계 인터메탈릭 나노촉매를 설계했으며, 촉매와 산화물 계면에서 형성되는 산소 결함을 활용해 촉매 내부의 원자 배열을 제어함으로써 기존에는 구현이 어려웠던 삼원계 Pt 기반 인터메탈릭 촉매를 성공적으로 개발했다.

특히 이번 연구에서는 기존에 보고되지 않았던 계산화학적 접근을 도입해 실험적으로 직접 관찰하기 어려운 전구체 단계의 계면 합성 메커니즘을 규명했다. 연구팀은 계면에서 형성되는 초기 산소 결함이 망간(Mn)의 원자 배열을 유도하는 핵심 인자임을 밝혔으며, 이를 통해 삼원계 인터메탈릭 구조가 형성되는 과정을 이론적으로 설명했다. 이는 단순한 성능 해석을 넘어, 촉매 합성 과정 자체를 원자 수준에서 이해하고 설계할 수 있는 기반을 제시한 성과이다.

새롭게 개발된 촉매는 최적화된 전자구조를 바탕으로 산소환원반응 활성과 내구성을 동시에 향상시켰다. 전기화학 성능 평가에서는 상용 Pt/C 촉매 대비 10배 이상의 질량 활성을 기록했으며, 15만 회 이상의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 96% 이상을 유지했다.

또한 막전극접합체(MAE) 적용 시험에서도 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 성능 목표를 상회하는 결과를 보였고, 고부하 조건에서도 기존 촉매보다 높은 출력을 유지해 수소전기차와 발전용 연료전지 분야에서의 활용 가능성을 입증했다.

※논문명: Tailoring Interfacial Oxygen Vacancy-Mediated Ordering in Ternary Pt3(Co,Mn)1 Intermetallic Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

※학술지: Advanced Materials

※논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202521036

※연구포털(PURE): https://pure.skku.edu/en/persons/sang-uck-lee/

(왼쪽) 산화물(MnO) 계면에서 형성된 산소 결함이 촉매 내부의 원자 배열을 유도해 기존에는 구현이 어려웠던 

Pt–Co–Mn 삼원계 인터메탈릭 구조가 형성되는 과정을 보여준다. 

(오른쪽 위) 실제 합성된 나노촉매는 원자 수준에서 균일한 구조를 유지하며, Mn, Co, Pt가 고르게 분포함을 확인할 수 있다. 

(오른쪽 아래) 이러한 구조적 특성은 높은 산소환원반응 활성과 우수한 내구성으로 이어져, 

실제 연료전지 조건에서도 기존 촉매를 뛰어넘는 성능을 보였다.