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AI로 ‘수소차 심장’ 설계...차세대 ‘슈퍼 촉매’ 개발
기후 위기 시대, 수소차는 친환경 모빌리티의 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 ‘수소차의 심장’인 연료전지는 여전히 높은 가격과 짧은 수명이라는 한계를 안고 있다. 핵심 원인은 백금 촉매다. 전기를 만드는 결정적 물질이지만 반응은 느리고, 시간이 지날수록 성능이 떨어지며, 제조 비용도 높다. 한국 연구진이 이 난제를 풀 실마리를 제시했다.
우리 대학은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 이원보 교수팀과 함께 인공지능(AI)으로 촉매의 ‘원자 배열’경향을 예측하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
이 기술은 마치 퍼즐을 맞추기 전 어떤 조합이 퍼즐 완성에 유리한지 미리 계산해 보는 것과 같다. AI가 금속 원자들의 배열 속도를 먼저 계산해 줌으로써, 더 성능이 좋은 촉매를 효율적으로 설계할 수 있게 된 것이다. 이번 연구의 핵심은 ‘AI가 아연이 백금-코발트 원자 배열에 결정적 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다’는 점이다.
기존의 백금-코발트(Pt-Co) 합금 촉매는 높은 성능에도 불구하고, 원자들이 규칙적으로 배열된 ‘금속간화합물(L1₀)’ 구조를 만들기 위해서는 매우 높은 온도의 열처리가 필요했다. 이 과정에서 입자가 뭉치거나 구조가 불안정해져 실제 연료전지 적용에는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 머신러닝 기반 양자화학 시뮬레이션을 도입했다. AI를 통해 촉매 내부에서 원자들이 어떻게 움직이고 배열되는지를 정밀하게 예측했다.
그 결과, 아연(Zn)이 원자 배열을 촉진하는 매개 원소로 작용한다는 사실을 발견했다. 아연을 도입하면 원자들이 제자리를 더욱 쉽게 찾아, 보다 정교하고 안정적인 구조가 형성되는 원리다. 즉, AI가 ‘원자 배열이 만들어지는 최적의 경로’를 먼저 찾아낸 셈이다.
AI 예측을 바탕으로 실제 합성한 아연-백금-코발트 촉매는 기존 백금 촉매 대비 더 높은 활성과 뛰어난 장기 내구성을 동시에 확보했다. 이는 인공지능이 계산한 ‘가상의 설계도’가 실제 실험실에서 고성능 촉매로 구현될 수 있음을 입증한 사례다.
특히 이번 기술은 수소 승용차, 장거리 운행이 필요한 수소 트럭, 수소 선박, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 탄소중립 핵심 산업 전반에서 촉매 수명 연장과 제조 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.
조은애 교수는 “이번 연구는 머신러닝을 활용해 촉매의 원자 배열 경향을 사전에 예측하고 이를 실제 합성으로 구현한 사례”라며, “AI 기반 소재 설계가 차세대 연료전지 촉매 개발의 새로운 패러다임이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 장현우 박사과정과 서울대학교 화학생물공학부 류재현 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 2026년 1월 15일 자로 게재됐다.
※ 논문명: Machine Learning-Guided Design of L1₀-PtCo Intermetallic Catalysts: Zn-Mediated Atomic Ordering, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202505211
본 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.02.26 조회수 2091 -
수소차 연료전지 촉매 1000배 이상 저렴해진다
미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지를 기존 귀금속 백금 소재 대비 1,000배 이상 저렴한 소재로 개발하여 화제다.
우리 대학 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 POSTECH 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하고, 해당 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히, 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.
공동연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고, 활성 메커니즘을 규명했다고 밝혔다. 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC) 뿐만 아니라, 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)에도 적용이 가능하다는 점에서 더욱 의미가 있다고 할 수 있다. 새롭게 개발한 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다.
조은애 교수는 “기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”라고 설명하며, “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높이는데 성공했다”라고 말했다.
신소재공학과 노정한 박사과정이 제1 저자로, POSTECH 조아라 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국화학회 촉매 분야 저명 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 2023년 7월 3일자 온라인판에 출판됐다. 또한, 그 우수성을 인정받아 해당 학술지 보조 표지 논문(Supplementary front cover)로 게재됐다. (논문명: Transformation of the Active Moiety in Phosphorus-Doped Fe-N-C for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction)
한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
2023.08.23 조회수 8408