IBS, 비귀금속 촉매 개발로 연료전지 성능 향상

탄소 기반 나노 촉매, 가격 저하 안정성 상승
학문적 발전, 수소연료전지 자동차 발전 기여 전망

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남연우 수습 기자 - 2019.02.11

서로 다른 다공성 구조를 가진 비귀금속 연료전지촉매.<사진=IBS 제공>서로 다른 다공성 구조를 가진 비귀금속 연료전지촉매.<사진=IBS 제공>

국내 연구진이 수소자동차 동력인 연료전지의 가격 저하와 안정성 상승이 가능한 촉매를 개발했다.

IBS(원장 김두철)는 현택환 나노입자 연구단 연구팀이 연료전지 촉매의 가격은 줄이면서 안정성은  높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다. 

연료전지는 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 하지만 현재 촉매로 사용되는 백금은 고가이며 지속 사용시 성능 저하의 문제가 있다. 연구진은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매로 이 문제를 해결했다.

연구진은 크기가 서로 다른 기공을 갖는 '계층적 다공 나노구조'를 도입했다. 지금까지 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려져 있었다. 하지만 각 기공의 크기가 연료전지 성능에 미치는 영향은 규명되지 않았다.

새로 제작된 촉매는 세 종류의 기공을 갖는다. 지름을 기준으로 마이크로 기공, 메조 기공, 마크로 기공이 그것이다. 연구진은 각 나노기공의 역할을 정량적으로 분석했다.

지름이 2~50㎚ 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높인다. 50㎚이상 크기인 마크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 수송시켜 성능 향상에 기여한다.

연구진은 개발한 촉매를 연료전지에 적용해 구동 성능을 분석했다. 계층적 다공 나노구조 도입은 다양한 연료전지 구동환경의 성능을 일관되게 향상시켰다. 또 개발된 촉매가 사용된 연료전지는 10,000회 이상 구동해도 활성의 저하 없이 안정된 성능을 유지했다.

이번 연구는 다공 나노구조의 탄소 촉매가 기존 백금계 연료전지촉매를 대체할 수 있음을 시사했다. 특히 서로 다른 크기의 나노기공 역할을 구체적으로 규명, 다양한 구동환경에서 성능 향상을 입증했다.

연구진은 이번 연구가 차세대 연료전지촉매 개발과 다양한 전기화학 응용장치에 기여할 것으로 전망하고 있다.

성영은 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금촉매 사용과 낮은 내구성 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "향후 학문적 발전과 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 미국화학회지(JACS)에 6일자 표지논문으로 게재됐다.

다공성 나노입자의 장점.<이미지=IBS 제공다공성 나노입자의 장점.<이미지=IBS 제공
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