중앙대 하돈형 교수 연구팀, ‘귀금속 없는’ 차세대 그린수소 촉매 개발… 상용화 난제 풀었다

국내 연구진이 차세대 청정에너지로 주목받는 ‘그린수소’의 생산 효율을 극대화하면서도 제작 비용은 획기적으로 낮출 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 기존의 값비싼 백금이나 이리듐 같은 귀금속을 사용하지 않고도 이에 버금가는 고성능·고내구성을 확보해 수소에너지 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

중앙대학교(총장 박세현)는 융합공학부 하돈형 교수 연구팀이 화학공학과 남인호 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구단 유성종 박사 연구팀과 공동으로 ‘비귀금속 기반의 다금속 인화물 나노입자 촉매’를 개발하고, 이를 통해 고성능 음이온교환막 수전해(AEM) 시스템을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

‘수전해’는 전기로 물을 분해해 탄소 배출 없이 친환경 그린수소를 생산하는 핵심 기술이다. 그러나 현재 고성능 수전해 장치에는 백금(Pt), 이리듐(Ir) 등 희소성이 높고 가격이 비싼 귀금속 촉매가 필수적으로 사용되어 상용화의 큰 걸림돌이 되어왔다.

이에 귀금속 의존도를 낮출 수 있는 ‘음이온교환막(AEM) 수전해’가 대안으로 꼽히지만, 기존 비귀금속 촉매는 실제 구동 환경에서 표면 구조가 쉽게 변해 효율이 떨어지고 수명이 짧다는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 코발트, 니켈, 철을 조합한 다금속 인화물(Co-Ni-Fe-P) 나노입자 촉매를 설계해 이 문제를 해결했다. 연구팀은 촉매가 작동하는 동안 실시간으로 분광 분석을 진행해 촉매 표면의 산화 상태와 재구조화 거동을 체계적으로 분석했다.

그 결과, 코발트(Co) 함량을 최적화했을 때 반응 과정에서 촉매 표면에 활성 구조가 안정적으로 형성되며, 이 ‘표면 재구조화’ 현상이 높은 촉매 활성과 장기 내구성을 유지하는 핵심 비결임을 세계 최초로 규명했다.

특히 이번에 개발된 촉매는 실제 음이온교환막 수전해 단위전지 테스트에서도 압도적인 성능을 증명했다. 연구팀이 개발한 촉매를 수소극과 산소극 양쪽 모두에 적용한 전지는 2.0V 전압에서 5.73 A/cm²의 높은 전류밀도를 달성했다.

더불어 촉매를 산소극에만 한정해 적용한 경우에도 2.0V 전압에서 11.43 A/cm²라는 폭발적인 고전류밀도를 기록하는 성과를 거두었다.

장기 구동 능력 역시 탁월한 것으로 나타났다. 연구팀은 실제 상용 구동 조건인 1.0 A/cm² 환경에서 500시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 구동 성능을 유지하는 뛰어난 내구성까지 함께 입증했다.

이는 비귀금속 촉매만으로도 기존 귀금속 기반의 수전해 전지에 필적하는 성능을 낼 수 있음을 보여준 결과다. 촉매 조성 제어부터 작동 중 표면 구조 분석, 단위전지 성능 검증을 종합적으로 제시해 실용화 가능성을 대폭 끌어올린 성과로 평가받는다.

중앙대 하돈형 교수는 “이번 연구는 비귀금속 다금속 인화물 촉매의 조성을 미세 제어하고, 실시간 분석을 통해 작동 중인 촉매 표면의 변화 원리를 명확히 밝혔다는 데 학술적 의의가 있다”라며, “고가의 귀금속 촉매를 대체해 생산 비용을 낮추면서도 고성능과 고내구성을 동시에 확보할 수 있는 저가형 수전해 전극 개발의 이정표가 될 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 재원으로 H2GATHER사업, H2 NEXT ROUND사업 및 KIST 미래원천청정수소융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘Advanced Functional Materials(인용지수(IF)=19.0)’에 2026년 5월 26일 자 온라인판에 게재되며 그 우수성을 인정받았다.