동북사범대학교/창춘과학기술대학교 연구팀, 고효율 연료전지 병목 돌파 위한 POM 기반 초분자 조립체 개발

최근, 둥베이 사범대학과 장춘 이공대학의 류바이린, 리양광, 장홍잉 교수팀이 국제 저명 학술지 Angewandte Chemie International Edition에 중요한 연구 성과를 발표했습니다. 이 연구는 수계 자기조립 전략을 통해 BPN 초분자 클러스터 양성자 전도체를 합성하여, “높은 전도도-낮은 활성화 에너지-강한 안정성”의 시너지를 달성했으며, 차세대 PEMFC 핵심 소재 설계를 위한 모듈화된 새로운 접근법을 제시했습니다.

양성자 전도체는 PEMFC의 “핵심 골격”으로, 그 성능이 전지의 에너지 변환 효율과 수명을 직접 결정합니다. 현재 연구에는 두 가지 주요 한계가 있습니다. 첫째, 국소 양성자 수송의 미세 불균일성을 간과하여 분자 수준에서 전도 경로를 최적화하기 어렵습니다. 둘째, 기존 소재는 “세 가지 성능” 간 균형을 이루지 못하며, MOF 기반 양성자 전도체는 습도에 매우 민감하고 이오노머 시스템의 양성자 채널은 상분리에 의해 제약받습니다. 연구팀은 두 가지 핵심 과학적 질문, 즉 “프로그래밍 가능한 양성자 수송 경로를 구축하고 여러 성능을 조율하는 방법”과 “국소 사이트에서 양성자 수송의 동적 차이를 밝히는 방법”을 해결하고자 했습니다.

이 연구의 혁신은 수계 자기조립을 통해 [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ 비스무트 산화물 클러스터와 [PW₁₂O₄₀]³⁻ 폴리옥소메탈레이트(POM)를 최초로 결합하여 BPN 초분자 클러스터 소재(화학식: [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈)를 형성한 데 있습니다. 이 설계는 “비스무트 산화물 클러스터의 양성자 이동도 향상 + POM의 전이 상태 안정화”라는 시너지 효과와 동적 수소 결합 네트워크를 활용하여 기존 균일계 소재의 성능 한계를 극복합니다.

핵심 연구 결과는 세 가지 주요 돌파구를 부각합니다. 구조적 특성 측면에서, BPN은 “전하 보조 수소 결합 + 정전기적 상보성”을 통해 계층적으로 정렬된 구조를 형성합니다. MD 시뮬레이션은 비스무트 산화물 클러스터가 형석 결정 적층과 유사하게 면심 입방 배열로 POM 주위에 배치됨을 보여주며, XAS와 NMR은 W⁵⁺/W⁶⁺의 혼합 원자가 상태와 강한 수소 결합을 확인했습니다. 성능 측면에서, 90°C, 97% 상대습도 조건에서 양성자 전도도는 0.12 S·cm⁻¹에 도달하여 상용 Nafion 막과 견줄 만하며, 25°C에서는 5.6×10⁻³ S·cm⁻¹입니다. 72시간 연속 작동 후에도 성능이 안정적으로 유지되며, 활성화 에너지는 0.19 eV로 낮고, 강산, 산화 및 고온에 견딜 수 있으며, 1,680시간 물에 담근 후에도 POM 누출이 없습니다. 응용 측면에서, BPN-Nafion 복합막으로 조립된 DMFC는 80°C, 1 M 메탄올 조건에서 개방 회로 전압 0.82 V, 최대 전력 밀도 86 mW·cm⁻²를 달성하여 순수 Nafion 막 대비 59.3% 향상된 성능을 보였습니다.

메커니즘 연구는 Bi-O 사이트가 양성자의 “빠른 채널” 역할을 하며, POM 도입으로 양성자 전달 에너지 장벽이 1.66 eV에서 0.14 eV로 감소하고, 물 분자 흡착량이 6.1 wt%일 때 최적의 전달 효율을 보인다는 것을 밝혔습니다. 이 연구에서 제안한 “무기 클러스터 단위 + 동적 수소 결합 네트워크” 설계 전략은 국소 사이트 양성자 수송의 불균일성 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라, 휴대용 전자기기, 드론 등의 시나리오에서 청정 에너지 장치를 위한 핵심 소재 지원을 제공하여 PEMFC의 고효율, 장수명, 저비용 발전을 촉진합니다.