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지스트 연구팀, 
수소연료전지용 촉매 내구성 저하 원인 규명
- 향후 내구성 확보된 산소환원 촉매 개발을 통해 미래수소 경제
활성화에 기여
□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 신소재공학부 최창혁 교수 연구
팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 비활성화 메커니즘을 규명하
고 내구성을 확보함으로써, 수소연료전지의 상용화에 더욱 활기를 불어
넣을 것으로 기대된다.
 ∘ 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 수소연료전지에는 
이들의 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 귀금
속인 백금을 촉매로 사용했으나 백금의 희소성과 높은 가격이 상용화
에 걸림돌이 돼 왔다. 따라서 최근에는 이를 대체할 수 있는 저렴한 
철, 질소, 탄소 기반 단원자 촉매에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
□ 하지만 철 기반 단원자 촉매는 수소연료전지의 작동 조건인 산성 환경
에서 매우 불안정한 모습을 보이며, 장시간의 안정적인 전력 생산을 
위해서는 이들의 작동 중 내구성을 확보하는 것이 필요하다.
 ∘ 양극에서 일어나는 산소환원반응*의 부산물인 과산화수소가 불안정성
을 만드는 주요 원인 중 하나로 꼽히지만, 이들과 촉매 사이의 정확한 
반응 메커니즘을 밝히지 못해 내구성 확보에 어려움을 겪고 있다.
지스트(광주과학기술원) 보도자료
http://www.gist.ac.kr 
보도시점
배포 즉시 보도 부탁드립니다.
배포일
2020.08.05.(수)
보도자료
담당
홍보팀 김효정 팀장
062-715-2061
홍보팀 이나영 선임행정원 
062-715-2062
자료 문의
신소재공학부 최창혁 교수
062-715-2317
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   *산소환원반응: 수소연료전지의 양극에서 일어나는 반응으로, 산소가 전자와 양성자와 
반응해 물로 환원되는 반응이다.
□ 연구팀은 인위적으로 촉매를 과산화수소에 노출해 전해질의 산성도에 
따른 촉매의 비활성화 연구를 통해 산성 조건에서 생성되는 불안정한 
활성산소종*이 촉매 비활성화의 주요 원인이라는 것을 확인하였다. 
   *활성산소종: 산소 원자를 포함한 화학적 반응성이 있는 분자로, 과산화수소와 수
산화 라디칼 등이 포함된다.
 ∘ 0에서부터 14까지 모든 범위의 산성도를 다루면서 촉매의 산소환원반
응 비활성화 정도가 전해질의 산성도에 영향을 받는다는 것을 알아냈
다. 특히 산성 조건에서 가장 심각한 비활성화가 일어났으며 이는 촉
매 표면의 부분적인 산화와 연관이 있음을 밝혔다.
 ∘ 연구팀은 또한 전자스핀 공명 분광법*을 통해 활성산소종 생성 정도와 
촉매의 비활성화 정도가 비례하는 것을 확인했다. 산성 조건에서 생성
되는 불안정한 활성산소종이 촉매 비활성화의 주요 원인이며, 촉매 및 
수소연료전지의 내구성을 보장하기 위해서는 이들의 제어가 필요하다
는 것을 유추하는 결과이다.
   *전자스핀 공명 분광법: 전자와 짝을 이루지 않은 물질을 연구하는 방법으로 기본 
개념은 핵자기 공명(NMR)과 비슷하지만, 원자핵의 스핀 대신 방출되는 전자스핀
을 이용한다. 금속 착물 또는 유기 라디칼을 연구하는 데 특히 유용하다.
□ 지스트 최창혁 교수는 “이번 연구성과는 저렴한 철 기반 단원자 촉매
를 활용해 수소연료전지의 내구성 확보 전략을 수립하고, 직접 실험으
로 구현했다는데 가장 큰 의의가 있다”면서, “추후 고활성 및 내구
성이 확보된 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기
여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
□ 본 연구는 기후변화대응기술개발사업과 미래소재디스커버리사업의 지원
을 받아 수행되었으며, 연구성과는 미국 화학회가 발행하는 촉매분야 
국제학술지 ‘ACS 카탈리시스’(ACS Catalysis)에 7월 20일 온라인 게재
되었다.  <끝>
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논문의 주요 내용
1. 논문명, 저자정보 
 - 논문명 : pH effect on the H2O2-induced deactivation of Fe-N-C 
catalysts
 - 저자 정보 : 배근수 박사과정생(제1저자, 지스트), 정민욱 박사(제1저자, 
지스트), 지상구 박사과정생(공동저자, 지스트), Frederic 
jaouen(교신저자, CNRS), 최창혁 교수(교신저자, 지스트)
그 림 설 명
 
그림 1. 과산화수소 처리 전해질의 산성도와 촉매의 산소환원반응 비활성화 정도 
사이의 상관관계
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그림 2. (위) 수소연료전지용 철 기반 단원자 촉매의 비활성화 메커니즘과 (아래) 
해당 비활성화 메커니즘을 우회하기 위한 내구성 확보 전략