철 촉매가 수소 연료 전지를 실용화한다

수소 연료 전지: 플래티넘 대안으로서의 철 촉매

수소는 이론적으로 녹색 미래를 위한 완벽한 연료가 될 수 있습니다: 재생 가능한 전기로 생산될 수 있으며, 사용 시 오염 물질을 배출하지 않고, 생산에 물만 필요합니다.

하지만 수소를 충분히 낮은 비용으로 생산하는 것은 어려웠습니다. 동시 담수 생산, 귀금속이 필요 없는 새로운 수소 촉매, 혹은 광촉매와 같은 대안이 탐구되고 있습니다.

수소의 상업적 타당성을 감소시키는 또 다른 단계는 소비 단계에 있습니다. 연소 엔진(연료 엔진과 유사하지만 효율이 낮음) 대신 연료 전지를 사용할 경우, 일반적으로 비싼 플래티넘을 촉매로 사용합니다.

이는 연료 전지의 비용을 상승시킬 뿐만 아니라, 플래티넘 및 팔라듐과 같은 관련 금속이 지구에 매우 희귀하여 대량 생산이 어려워 수소 연료의 대량 채택을 저해할 수 있습니다.

다행히도, 중국 과학자들이 중국과학원, 심천대학, 동남대학, 칭화대학, 베이징화학공업대학, 홍콩시립대학, 그리고 샤먼대학 등 국내 최고 연구기관에서 대안을 제시하고 있습니다.

그들은¹ 권위 있는 과학 저널 Nature에 “Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports”라는 제목으로 새로운 철 기반 연료 전지 촉매를 발견했다고 발표했습니다.

연료 전지는 어떻게 작동하는가

수소를 소비하여 전기를 생성하는 연료 전지의 핵심 부품은 양성자 교환막(PEM)입니다.

연료 전지는 수소(H₂)를 양성자(H+ 이온)와 전자로 전환시키는 촉매 반응을 통해 전류를 생성합니다. 앞서 언급했듯이, 이 촉매는 전통적으로 비용이 높은 플래티넘이었습니다.

출처: Wikipedia

대신, 중국 과학자들은 “내부 활성화, 외부 보호”라는 새로운 촉매 설계를 만들어냈으며, 이는 간단한 철을 촉매로 활용합니다.

철 기반 수소 촉매

연료 전지에서 철 촉매의 과제

철 촉매를 이용해 산소를 포획하고(일반적으로 “녹”이라 부르는 현상) 이를 수소 이온과 결합시키는 아이디어는 새롭지 않습니다.

하지만 지금까지는 원치 않는 화학 반응, 특히 산소화된 반응 중간체의 강한 흡착과 철 원자의 탈금속화 때문에 방해받아 왔습니다. 따라서 철 원자는 산소가 풍부한 화합물에 “붙어” 버리거나 촉매 역할을 할 수 없게 됩니다.

이러한 원치 않는 반응을 차단하기 위해 연구진은 철 촉매를 위한 독특한 나노구조를 설계했습니다.

나노구조 중공성 철 촉매

전통적인 철 촉매는 그래핀 또는 탄소 지지체의 외부 표면에 의존하여, 수소와의 원하는 반응에 접근 가능한 철의 양이 제한됩니다.

대신, 내부 곡면에 단일 원자 철 촉매 부위를 만드는 방법을 사용했습니다.

각 부위는 나노 제한된 중공 다중 껍질 구조(HoMS) 안에 위치합니다. 이러한 나노 HoMS는 그래핀과 유사한 2D 탄소 층 위에 퍼져 있고 결합되어 있습니다.

출처: Research Gate

이 나노 중공 입자는 약 10 nm × 4 nm 크기로, 여러 껍질을 가지고 있으며 철 원자는 내부 층에 고밀도로 집중되어 있습니다. 싱크로트론 X선 흡수 분광법에 따르면 이러한 내부 Fe 원자는 촉매 활성 상태에 57.9% 비율로 존재합니다.

출처: Research Gate

철 촉매를 이용한 성능 향상

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이 나노구조는 산소화된 반응 중간체의 결합 강도를 약화시켜 철 기반 촉매의 주요 제한 요소를 제거합니다.

출처: Research Gate

또한, 매우 반응성이 높고 손상시키기 쉬운 하이드록실 라디칼(•OH) 생성 속도를 감소시켜 산소‑수소 반응에서 발생할 수 있는 문제를 최소화합니다.

최종 결과는 철 촉매를 사용한 연료 전지가 기존 설계보다 급격히 우수하며, 최대 전력 밀도와 전류 밀도(아래 빨간 별) 모두에서 기록적인 0.75 W cm⁻²의 전력 밀도를 1.0 bar H₂‑공기 조건에서 달성한다는 것입니다.

출처: Research Gate

이 촉매 설계는 이전 세대 철 기반 촉매보다 훨씬 내구성이 뛰어나며, 300시간 이상 운전 후에도 효율이 86%를 유지합니다.

출처: Research Gate

결론

수소 경제는 경제적 고려사항이 해결되고, 생산이 쉬운 촉매가 풍부하고 저렴한 소재에 의존할 때만 실현될 수 있습니다.

이러한 맥락에서, 지구상에서 가장 많이 생산되고 저렴한 금속 중 하나인 철은 이상적인 후보가 될 것입니다.

또한, 효율이 시간에 따라 비교적 빠르게 저하되는 문제(첫 실험 설계에서 아직 개선 가능)도 크게 감소하며, 연료 전지의 촉매 부품을 정기적으로 새 것으로 교체하고 사용된 촉매는 재활용하거나 원래 성능으로 복원할 수 있습니다.

연료 전지 기술에 투자하기

Plug Power는 연료 전지에 중점을 둔 녹색 수소 분야의 선두 기업입니다. 이 회사는 300개 이상의 현장에서 72,000대 이상의 연료 전지를 설치했으며, 물류 차량군에서 큰 비중을 차지하고 있습니다. 특히 40,000대 이상의 포크리프트에 전력을 공급하고 있으며, 2013년 이후 매출이 8배 성장했습니다.

또한 수소 생산, 물류, 대규모 전력 생산 및 배송 등 수소 인프라 구축에도 활발히 참여하고 있습니다.

출처: Plug Power [securities_stock_price_tag symbol="PLUG" exchange="NASDAQ"]

이 회사는 수소 생산 비용을 $10/kg에서 $4/kg으로 낮추고 2027년까지 생산량을 14배 확대하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 외부에서 공급받던 수소를 모두 자체 생산으로 전환해 손실을 최소화하려 합니다.

2020년 이후 생산 능력을 19배 확대하기 위한 대규모 투자가 진행돼 아직 수익을 내지는 못하지만, 자체 수소 확보가 진행되면서 상황이 변할 것으로 기대됩니다.

Plug Power는 솔루션을 직접적인 이동 연료 또는 전기차(EV)를 보완하는 형태로 보고 있습니다. 수소는 전기차의 피크 충전 시간 동안 전력망에 가해지는 부하를 줄여주어, 낮 시간에 재생 에너지 생산량과 맞지 않는 문제를 완화합니다.

출처: Plug Power

연료 전지의 주요 생산업체인 Plug Power는 수소 기반 경제 전환으로 큰 혜택을 받을 수 있습니다. 보다 저렴한 연료 전지 촉매가 설계에 통합되면 수소 차량 및 그리드 규모 에너지 저장의 채택률이 크게 상승할 것입니다.

따라서 Plug Power는 수소가 전반적으로 도입되는 흐름에 베팅하기 좋은 주식이며, 수소를 생산·저장·운송·활용하는 더 저렴한 방법이 발명될 때마다 연료 전지에 대한 수요가 증가할 것입니다.

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참조 연구

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}