촉매층 나노구조와 반응 수송: 격자볼츠만법을 통한 귀금속·비귀금속 촉매 비교

초록

본 연구는 사중구조생성법(QSGS)으로 재구성한 고해상도 촉매층(CT) 나노구조를 기반으로 격자볼츠만법(LBM)을 이용해 산소 확산·프로톤 전도성 등 거시적 전송 특성을 예측한다. 이온머터의 비균일 분포가 경로를 복잡하게 만들어 확산 효율을 크게 저하시켰으며, 전통적인 Bruggeman 식보다 높은 토러스티가 관찰되었다. Knudsen 확산이 산소 전달에 중요한 역할을 함을 확인하였다. 비귀금속 촉매(NPMC) CL은 반응 면적이 크지만 반응 속도가 낮아 실제 산소 반응률은 Pt CL보다 현저히 낮았다. 미세공(수 nm)은 반응 부위를 늘리지만 질량 전달 향상에는 기여가 적으며, 수십 nm 규모의 메조·매크로공이 필요함을 제시한다.

상세 분석

본 논문은 PEM 연료전지의 촉매층(Catalyst Layer, CL) 내부 구조를 나노스케일에서 정량적으로 파악하고, 그 구조가 물질 전달 및 전기화학 반응에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 먼저 QSGS(Quartet Structure Generation Set) 기법을 활용해 Pt 기반 CL과 비귀금속 촉매(NPMC) 기반 CL의 3차원 다상 구조를 재구성하였다. 이 과정에서 전극 입자(촉매), 전도성 탄소, 이온머터(프라임) 및 기공을 각각 구분하고, 각 상의 부피비와 입자 크기 분포를 실제 실험 데이터와 일치하도록 조정하였다. 재구성된 구조에 대해 pore size distribution(PSD), specific surface area, phase connectivity 등을 정량화했으며, 특히 이온머터가 비균일하게 분포함에 따라 기공 연속성이 크게 변하는 것을 확인하였다.

다음 단계에서는 LBM(Lattice Boltzmann Method)을 기반으로 두 가지 전송 현상을 시뮬레이션하였다. 첫째, 산소와 수소의 다중 확산(분자 확산 + Knudsen 확산)을 고려한 effective diffusivity를 계산했으며, 토러스티(tortuosity)를 직접 추출하였다. 결과는 전통적인 Bruggeman 관계(τ = ε^‑0.5)보다 실제 토러스티가 약 1.52배 높아, 기존 설계식이 과대평가된다는 점을 시사한다. 특히 Knudsen 확산이 기공 직경이 10 nm 이하인 영역에서 지배적이며, 이는 전체 확산 저항의 3040%를 차지한다는 정량적 결과가 도출되었다.

둘째, 전해질(이온머터) 내 프로톤 전도성을 LBM 기반 전기전도 모델로 평가하였다. 이온머터가 기공벽에 고르게 피복되지 않을 경우 전도 경로가 파편화되어 전도도는 20~35% 감소하였다. 이는 전극 내부 전압 손실을 증가시켜 전체 셀 효율에 부정적인 영향을 미친다.

반응 측면에서는 촉매 표면적이 NPMC CL에서 Pt CL보다 23배 크게 측정되었음에도 불구하고, 전기화학 반응 속도 상수(k) 자체가 Pt 대비 0.10.2 수준으로 낮아 실제 산소 환원 반응(OER) 속도는 오히려 Pt CL이 우세했다. 이는 NPMC 입자 자체의 전자전달 특성 및 활성 부위의 전기화학적 활성도가 낮기 때문으로 해석된다. 또한, 미세공(수 nm)에서 생성된 추가 반응 면적은 확산 제한이 심한 영역에 위치하므로, 전반적인 질량 전달 향상에는 거의 기여하지 못한다. 따라서 메조공(수십 nm) 혹은 매크로공(수백 nm) 수준의 연속적인 통로를 설계해야만 확산 저항을 크게 낮출 수 있다.

이러한 결과는 촉매층 설계 시 구조적 최적화와 물질 선택이 복합적으로 고려되어야 함을 강조한다. 특히, 이온머터의 균일한 분포와 적절한 기공 크기 스케일링이 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있는 핵심 변수임을 확인하였다.