Journal of Materials Chemistry A 게재, 상용화 가능성 확인
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왼쪽부터 가천대 화공생명배터리공학부 박찬호 교수, 장윤아 석사과정생, 한국과학기술연구원 탄소융합소재연구센터 이영준 박사, KIST 서대현 연구원. |
[대학저널 이선용 기자] 가천대학교 화공생명배터리공학부 박찬호 교수 연구팀과 탄소 소재 기업 ㈜더카본스튜디오(The Carbon Studio)가 공동연구를 통해 수소 연료전지의 핵심 부품인 촉매의 수명과 성능을 동시에 높이는 고내구성 수소 연료전지 촉매를 개발했다.
이번 성과는 연료전지의 약점으로 꼽혀온 ‘내구성 문제’를 개선해 상용화 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다. 연료전지는 수소를 이용해 전기를 만드는 친환경 기술이지만, 장시간 사용할수록 촉매 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘탄소 소재’의 구조를 정밀하게 바꾸는 방식에 주목했다.
연구팀은 다공성 탄소 소재(Porous Crystalline Carbon, PCC)에 특정 고분자(poly(4-vinylpyridine), P4VP)를 활용해 질소를 선택적으로 넣는 ‘질소 도핑’ 기술을 적용했다. 탄소 구조에 질소를 균일하게 배치해 전기가 잘 흐르고 오래 유지되도록 만든 것이다. 특히 기존 방식보다 정밀하게 질소를 넣을 수 있는 ‘고분자 도판트’ 기술을 새롭게 개발해 성능과 안정성을 동시에 개선했다.
이렇게 만든 촉매는 실제 사용 환경과 유사한 조건에서 3만 번 이상 작동시켜도 성능이 크게 떨어지지 않는 것으로 나타났다. 또한 전압 손실을 줄이고, 전기 반응이 일어나는 면적도 잘 유지돼 장기간 사용에 적합한 것으로 확인됐다.
이는 수소 연료전지가 실제 제품으로 활용되기 위해 필요한 내구성 기준을 충족하는 수준으로, 향후 이차전지 전극 소재, 전도성 복합소재, 스마트 건축 소재 등 다양한 분야에 상용화 가능성을 보여준 성과로 평가된다.
이번 연구는 기업이 보유한 고품질 탄소 소재와 대학의 설계 기술이 결합된 산학협력 사례로, 연구 초기부터 실제 산업 적용을 염두에 두고 설계가 이루어져 기술 이전과 제품화 가능성이 높은 점도 특징이다.
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고분자 기반 선택적 질소가 도핑된 다공성 탄소체를 보여주는 개념도와 주사전자 현미경 사진. |
연구는 산업통상부와 과학기술정보통신부의 국가과제 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF 9.5, Q1)’에 ‘Selective Nitrogen Doping on Porous Hard Carbons Using Polymer Dopants for High-Performance Fuel Cells’라는 제목으로 최근 게재돼 기술력을 인정받았다.
교신저자로는 박찬호 교수와 한국과학기술연구원 이영준 박사가 참여했으며, 제1저자로는 장윤아 가천대 석사과정생과 KIST 서대현 연구원이 이름을 올렸다. 더카본스튜디오 연구진도 공동 저자로 참여했다.
박찬호 교수는 “이번 연구는 더카본스튜디오와의 협력을 통해 실제 산업 적용이 가능한 연료전지 촉매 기술을 확보한 사례”라며 “고성능과 내구성을 동시에 만족하는 촉매 설계를 기반으로, 향후 이차전지 및 스마트 소재 분야까지 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
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