광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 박찬호 에너지융합대학원 교수팀이 음이온 교환막 연료전지 가격을 절감하면서 안정성은 높일 수 있는 백금보다 저렴한 비귀금속 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.
백금은 높은 활성과 내구성으로 산소 환원 반응 촉매로 선호되고 있지만 희소성과 높은 원가로 인해 백금을 대체할 활성이 높으며 단가 대비 효율성이 높은 촉매가 필요한 상황이다. 특히 차세대 저가 연료전지로 개발 중인 음이온 교환막 연료전지는 최근 음이온 교환막 급격한 발전으로 이에 대응할 수 있는 저가 촉매의 개발이 요구되고 있다. 기존에는 비귀금속 촉매에 코발트와 같은 비교적 값비싼 전이금속을 추가해 성능을 개선해왔다.
박 교수팀은 값싼 철이 주성분인 비귀금속 촉매에 이종 원소를 도입해 촉매 제조 단가를 크게 높이지 않는 동시에 최적화된 촉매 활성을 확보하고 이중(Dual) 촉매 활성점을 제안했다. 이 촉매를 배병찬 한국에너지기술연구원 박사팀과 협력해 전극으로 구현해 단위전지 성능을 평가했다.
촉매는 철, 구리, 황, 인, 질소 전구체를 규칙적 중형 다공성 실리카에 담지한 뒤 탄화하는 나노주형법으로 제조했다. 철의 에너지 상태를 구리, 황, 인 및 질소로 조절한 산소환원반응 촉매로 백금 대비 우수한 성능을 나타냄을 확인했다.
연구팀은 철과 구리의 비율과 이종 원소 유무 등을 바꾸어 촉매 활성과 구조를 분석했으며 이러한 결과를 장승순 미국 조지아공대 교수팀 도움을 받아 계산 화학으로 비귀금속 촉매에 구리를 도입했을 때 촉매 활성이 향상되는 원인을 규명했다. 이종 원소 도입에 따라 철의 산화 상태가 변화하여 산소 환원 반응 중 반응 중간체의 흡착 상태를 변화시킴으로써 반응 속도가 향상됨을 확인했다. 철이 구리보다 많이 들어가면 쉽게 뭉치고 구리가 더 많이 들어가면 촉매 활성점의 수가 부족해 철과 구리의 비율이 1:1일 때 가장 높은 활성을 지니는 것을 실험으로 입증했다.
박찬호 교수는 “차세대 음이온 교환막 연료전지에 적용되는 비귀금속 촉매 개발 방향성을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “수소연료전지 단가 절감 및 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
박 교수가 주도하고 김종경 석박사통합과정생과 한성훈 석사과정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 및 지스트 GRI(GIST 연구원) 사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지 및 연료 분야의 국제 저명 학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
