배터리와 수소연료전지의 핵심 반응 효율을 높일 수 있는 촉매 설계 전략이 국내 연구진에 의해 제시됐다.

한국과학기술원(KAIST) 화학과 황승준 교수팀과 서울대학교 화학생물공학부 류재윤 교수팀은 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 배터리와 연료전지 내부에서 전기를 만드는 핵심 반응의 효율을 높이는 방법을 확인했다. KAIST는 연구팀이 촉매 활성점 근처에 양이온을 배치해 국소 전기장을 형성하는 방식으로 산소 환원 반응 선택성을 기존 약 12%에서 최대 52%까지 높였다고 1일 밝혔다.

산소 환원 반응은 수소차용 연료전지와 금속-공기 전지 등 차세대 에너지 장치에서 전기 생산과 연결되는 주요 반응이다. 기존에는 촉매 성능을 높이기 위해 철 대신 코발트나 니켈 등 다른 금속을 쓰거나 금속 주변의 분자 구조인 리간드를 새로 설계하는 방식이 주로 활용됐다.

이번 연구는 촉매 재료나 구조를 크게 바꾸지 않고 주변 전기장을 활용했다는 점에서 차이가 있다. 촉매 활성점 부근에 배치된 양이온이 미세한 전기장을 만들고, 이 전기장이 원하는 반응 경로를 유도하는 방식이다. 연구팀은 이 접근이 촉매 반응의 선택성을 조절하는 새 설계 원리로 활용될 수 있다고 봤다.

촉매 선택성은 여러 반응 경로 가운데 목표 반응이 얼마나 우세하게 일어나는지를 나타내는 지표다. 선택성이 높아지면 에너지 손실을 줄이고 원하는 생성물을 더 안정적으로 얻는 데 도움이 될 수 있다. 배터리와 연료전지뿐 아니라 이산화탄소 전환, 친환경 수소 생산 등 전기화학 기반 그린산업 분야에서도 촉매 설계 방식의 확장 가능성이 거론된다.

이번 연구에는 포스텍 조휘율·강봄 박사과정생과 KAIST 김동영 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 4월 12일 온라인 게재됐다.