김건태 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수연구팀이 포스텍 한정우 교수, 최시혁 금오공대 연구팀과 공동으로 고체산화물 연료전지용 고성능 복합 용출 촉매를 새롭게 개발했다. 기존 용출 촉매보다 철 나노 입자가 표면으로 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다.
용출이란 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상이다. 표면으로 올라온 나노입자는 촉매 성능을 높이고, 촉매끼리 뭉치는 문제를 막는 역할도 한다. 연구팀은 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간 비율을 계산 모델링으로 알아냈다.
최적화된 원소 종류와 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매 표면으로 잘 용출될 수 있는 유리한 환경이 된다. 현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정 구조를 띤다. 이는 다시 망간 금속계와 철 금속계로 나뉘는데, 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계보다 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.
연구팀은 일반 페로브스카이트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시킬 수 있었다. 기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략이라고 연구팀은 설명했다.
연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치로 이 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고, 발생한 폐열도 재활용할 수 있는 장점이 있다. 연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학 반응을 촉진하는 촉매가 전지 성능을 결정하기 때문에 고성능 촉매 개발이 필수적이다.
김건태 울산과학기술원 교수는 “환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있었다. 개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
산업통상자원부와 한국연구재단 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 최근 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
