은 나노촉매, 작동 방식 따라 반응 위치 달라… 고체산화물 전지 효율 높인다

노형석 기자

작성일 2026-08-06 08:02

서울대학교 공과대학 정우철 교수 연구팀이 한국기초과학지원연구원(KBSI) 및 KAIST와 공동으로 은(Ag) 나노촉매가 고체산화물 전지에서 작동할 때, 전기를 생산하는 과정과 수소를 생산하는 과정에서 서로 다른 위치에서 반응한다는 사실을 세계 최초로 규명했다. 이 연구는 차세대 에너지 장치인 고체산화물 전지의 성능 향상을 위한 새로운 설계 원리를 제시하며, 에너지 및 환경 분야의 저명한 국제학술지 'Energy & Environmental Science'에 게재되고 Outside Back Cover 논문으로 선정되는 영예를 안았다.

고체산화물 전지는 산소 이온의 이동을 이용해 전기를 생산하거나 물을 분해해 수소를 만드는 기술로, 분산형 발전 시스템과 재생에너지 기반 수소 생산 등 친환경 에너지 분야의 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 지금까지 전극 내부의 복잡성으로 인해 나노촉매가 정확히 어느 위치에서 어떤 방식으로 반응을 돕는지 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 구조와 조성이 일정한 모델 전극과 규칙적으로 배열된 금속 나노입자를 활용해 촉매의 역할을 정밀 분석했다. 그 결과, 전기를 생산하는 산소환원반응에서는 은 나노촉매와 전극이 맞닿는 경계면이 주요 반응 장소임을 확인했다. 반면, 수소를 생산하는 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면 자체가 중요한 반응 장소로 작용한다는 사실을 밝혀냈다.

이번 연구는 나노촉매가 작동 조건에 따라 반응 위치와 메커니즘까지 달라질 수 있음을 규명했다는 점에서 큰 의미를 지닌다. 연구팀은 이를 바탕으로 고체산화물 연료전지와 수전해전지의 공기극을 설계할 때 촉매 표면과 촉매-전극 계면을 각각 최적화해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다. 이러한 원리가 실제 전지에 적용되면 발전 효율을 높이고 전력 소비를 줄이는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

정우철 교수는 “이번 연구는 나노촉매의 성능뿐 아니라 실제 반응이 일어나는 위치와 작동 원리를 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다”며, “앞으로 다양한 에너지 변환 소재와 촉매 시스템에 적용할 수 있는 새로운 설계 원리로 확정해 나갈 계획”이라고 밝혔다.