서울과학기술대학교 바로가기

왼쪽부터 (제1저자) 이현호, 김택 (참여저자) 전혜영, 유가은 (교신저자) 권형욱 교수, 최민기 교수

미래에너지융합학과 최민기·권형욱 교수 연구팀이 암모니아 연료전지 구동 중 자가조립되는 촉매 소재를 개발하는 데 성공했다. 해당 연구는 에너지 분야 권위 학술지 Chemical Engineering Journal (JCR 상위 3%)에 게재 승인됐다.

이번 연구는 최민기 교수팀과 권형욱 교수팀의 공동연구로 수행되었으며, 석사과정 이현호·김택 학생이 공동 제1저자로 연구를 주도했다. 또한 전혜영 석사과정생과 National University of Singapore 소속 유가은 학생이 공동 저자로 참여했다.

암모니아를 연료로 사용하는 연료전지는 차세대 청정에너지 기술로 주목받고 있으나, 연료극 촉매인 니켈(Ni)이 암모니아 환경에서 산화 및 질화 반응에 의해 열화되는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다.

기존 연구는 이러한 열화를 억제하기 위한 신소재 개발에 집중되어 왔으나, 실제 상용화가 가능한 수준의 가격 경쟁력과 성능을 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 기존 접근 방식에서 벗어나, 오히려 열화의 원인으로 여겨졌던 ‘질화 반응’을 역으로 활용하는 전략을 제시했다. 암모니아 구동 환경에서 열역학적으로 자발 형성되는 Ni-Cu-N(니켈-구리 나이트라이드) 소재가 암모니아 분해 반응에서 우수한 성능을 보인다는 사실을 실험적으로 확인했다.

또한 밀도범함수이론(DFT) 기반 계산화학을 통해 해당 소재의 성능 향상 및 내구성 개선 메커니즘을 규명했다.

이를 바탕으로 연구팀은 암모니아 분위기의 가혹한 조건에서도 300시간 이상 구동 시 열화율 3% 미만을 기록하는 세계 최고 수준의 고내구성 암모니아 연료전지를 구현하는 데 성공했다.

최민기 교수는 “이번 연구는 일반적으로 성능 저해 요인으로 여겨지는 현상도 정밀하게 제어할 경우 오히려 성능과 내구성을 향상시키는 요소로 활용할 수 있음을 보여준다”며 “향후 다양한 에너지 소재 및 시스템에 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

▲ 암모니아 분위기에서 자가조립되어 NiCuN 촉매로 형성되는 TEM 이미지

*저널명/논문 제목

Chemical Engineering Journal / IF=13.2 JCR: 97.0%, 상위 3.0% (Engineering, Environmental)
In-situ assembly of Ni-Cu-N bilm etalic catalyst for highly stable direct ammonia solid oxide fuel cells