백금보다 1000배 이상 저렴한 수소자동차 연료전지 촉매제가 국내에서 개발돼 연료전지 생산단가를 크게 낮출 수 있을 전망이다.
한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 조은애 교수연구팀과 포스텍(POSTECH) 화학공학과 한정우 교수연구팀은 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매 '단일 원자 철-질소-탄소-인' 소재를 개발하고, 이 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 백금을 촉매제로 많이 사용한다. 수소연료전지는 수소와 공기중 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 방식인데, 이때 전극 촉매로 백금을 사용하는 것이다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.
그러나 백금은 귀금속이기 때문에 가격이 비싸 수소 생산단가를 낮출 수가 없다. 이에 연구진은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 '단일 원자 철-질소-탄소-인 소재'를 촉매제로 개발했다. 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)뿐만 아니라, 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)에도 적용이 가능하다는 게 연구진의 설명이다. 새로 개발한 이 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다.
조은애 교수는 "기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다"며 "연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용했을 때 모두 성능을 높일 수 있었다"고 말했다.
KAIST 신소재공학과 노정한 박사과정이 제1 저자로, 포스텍 조아라 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 미국화학회 촉매 분야 국제학술지 '에이씨에스 카탈리시스'(ACS Catalysis) 7월 3일자 온라인에 게재됐다. 또 논문 우수성을 인정받아 해당 학술지 보조 표지 논문(Supplementary front cover)으로 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
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