국내 연구진이 수소연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 촉매를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 정연식·조은애 교수연구팀은 기존 촉매보다 약 62% 이상의 전류 밀도를 유지시키는 수소연료전지 촉매 소재를 개발했다고 4일 밝혔다.
개발된 촉매는 실제 구동환경에서 수천 시간에 맞먹는 강도의 내구성 평가를 거친 후에도 초기 성능에 가까운 수준을 유지할 만큼 높은 내구성을 갖춰 기존 연료전지의 가장 큰 한계점인 수명 문제를 해결했다.
현재 상용 촉매는 탄소 입자에 백금을 결합한 Pt/C가 활용되고 있으나, 일정시간 이상 구동하면 백금 입자가 떨어지거나 뭉쳐버리는 현상으로 인해 내구성이 낮다. 또한 탄소 입자들끼리 뭉쳐있는 형태이기 때문에 물질 이동이 원활하지 않아 전류 밀도가 떨어진다는 단점이 있다.
연구팀은 우선 '자이로이드'를 기반으로 촉매 플랫폼을 개발했다. 자이로이드란 구멍이 많은(다공성) 3차원 나노구조체로 전기적 연결설이 뛰어나고 이온이나 기체가 이동할 수 있는 빈 통로가 많다.
연구팀은 자기조립 특성이 있는 고분자를 활용해 3차원 자이로이드 구조를 합성하고 백금 입자를 강한 결합으로 탑재해 연료전지 구동 시에도 백금 입자가 떨어지거나 뭉치는 현상을 차단했다.
또 자이로이드 내부에 증기압을 발생시켜 내부 공간까지 비움으로써 전해질이 더 원활하게 출입할 수 있도록 설계했다. 이를 통해 내부가 차 있는 일반 자이로이드 구조체 대비 약 3.6배 넓은 촉매 표면적을 형성했고, 자기조립 고분자에 자체 포함된 피리딘계 질소를 통해 우수한 전기전도성과 촉매 활성도 및 내구성을 확보할 수 있었다.
그 결과, 실제 연료전지 구동 환경과 유사한 환경에서 2만회의 고강도 내구성 평가 이후에도 상용 촉매 대비 약 62% 이상의 출력 전류 밀도 향상을 보였다.
정연식 교수는 "이 기술은 차세대 에너지 전환 기술에 있어 귀금속 촉매 지지체 소재 개발 방향성을 제시하는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인에 11월 21일자에 게재됐다.
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