금속 나노패턴기술 이용, 연료전지 전극 표면에 10나노미터 크기 금속 나노입자 합성 성공
귀금속 촉매 백금, 적은 양으로 연료전지의 성능 21배 상승

금속나노입자의 고온 전기화학적 촉매 특성 정밀 평가를 위한 전극 구조의 모식도.<사진=KAIST 제공>
금속나노입자의 고온 전기화학적 촉매 특성 정밀 평가를 위한 전극 구조의 모식도.<사진=KAIST 제공>
국내연구팀이 10나노미터(㎚) 이하의 금속나노촉매 기술 개발에 성공했다. 연료전지를 포함해 다양한 환경 친화적 에너지기술에 적용될 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 정우철, 김상욱 교수와 김현유 충남대학교 교수 공동 연구팀이 금속 나노소재를 이용해 연료전지의 성능을 높일 수 있는 나노촉매기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

10나노미터 이하 크기의 금속 나노입자는 적은 양으로 높은 촉매활성을 보여, 최근 에너지·환경기술 분야에서 큰 관심을 받고 있다.

하지만 가격이 비싸고, 높은 온도에서 입자들끼리 뭉치면 촉매활성이 저하된다는 문제가 있었다. 또 각 금속입자의 촉매 효율 항상 수치와 관련된 연구결과가 없어, 해당 분야 발전에 한계가 있었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 블록공중합체 자기조립을 이용했다. 블록 공중합체는 두가지 이상의 고분자 사슬이 공유결합으로 이뤄져 있다. 이 사슬들 사이에 상호 배척하는 성질을 활용하면, 선택적으로 금속 이온을 자기조립된 형태에 맞춰 패터닝 하는 것이 가능하다.

연구팀은 금속 나노패턴기술로 산화물 연료전지 전극 표면에 10나노미터 크기의 균일한 금속 나노입자들을 합성하는데 성공했다. 이를 통해 하나의 입자가 갖는 촉매 특성을 고온에서 정확히 분석해 연료전지의 성능을 높였다.

또한 귀금속 촉매 백금의 경우, 300나노그램(약 0.015원 가치)의 적은 양으로 연료전지의 성능을 21배까지 높일 수 있음을 확인했다. 나아가 팔라듐, 금, 코발트 등의 금속 촉매 특성을 파악·비교해 성능 향상의 원리를 밝혔다.

정우철 교수는 "매우 적은 양의 나노입자를 이용해 고성능 연료전지를 개발할 수 있는 아이디어를 제시했다"며 "향후 연료전지, 물 분해 수소생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 기여할 것"이라고 전망했다.

한편, 연구 결과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 지난 18일자 온라인판으로 게재됐다.

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