수소전기차 핵심인 연료전지 작동 중 촉매 열화 과정을 국내 연구진이 원자 단위에서 3차원으로 직접 추적하는 것을 세계 최초로 성공했다는 소식입니다.
연료전지가 동작하는 과정에서 수천개에 달하는 원자들이 어떻게 이동하고 변형되는지를 생생하게 관찰할 수 있게 된 거죠.
한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 양용수 교수와 신소재공학과 조은애 교수 공동연구팀이 미국 스탠퍼드대, 로런스버클리국립연구소와 국제 공동연구를 통해 연료전지 촉매 내부 원자 작동 사이클과 성능 저하를 3차원으로 직접 추적하는 데 성공했다고 밝혔어요.
수소연료전지 촉매로 사용되는 백금 기반 합금은 주행 과정에서 성능이 저하되는 열화 현상이 발생해 연료전지 잦은 교체를 야기하고, 이로 인한 수소차 가격 인하에도 한계가 있었어요.
연구팀은 이를 해결하기 위해 먼저 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했어요.
전자현미경을 이용해 다양한 각도에서 고해상도 이미지를 촬영하고, 이를 인공지능(AI) 신경망과 결합해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀하게 재구성한 거죠.
이를 통해 수천개에 달하는 원자들이 연료전지 작동 과정에서 어떻게 이동하고 변형되는지를 생생하게 관찰할 수 있게 됐어요.
또 백금-니켈(PtNi) 합금 나노입자에 대해 수천번 전기화학적 작동을 가한 후, 각 단계에서 촉매 입자 3차원 원자구조를 분석했어요.
그 결과 일반적인 PtNi 입자에서는 시간이 지남에 따라 입자 형태가 변형되고, 니켈이 빠져나가면서 제 기능을 점차 잃어버리는 현상이 나타났어요. 반면 갈륨 원소를 소량 섞은 촉매 입자에서는 이러한 변화가 거의 없어 처음부터 성능도 더 뛰어나고, 오래 사용해도 성능을 잘 유지함을 입증했죠.
이로써 연구팀은 촉매 안에 원자들이 시간이 지나면서 어떻게 변하는지, 그 변화가 성능 저하와 어떤 관계가 있는지를 정량 데이터로 명확하게 규명했어요.
양용수 교수는 “이번 연구는 실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 최초 사례”라며 “AI 기반 정밀 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 폭넓게 활용될 것”이라고 말했어요.
이번 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 지난달 28일 게재됐어요.
최정훈 기자 jhchoi@etnews.com