대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 유종성 에너지공학과 교수연구팀이 수소 연료전지 수명을 크게 개선할 고흑연성 탄소 담지체 저온 합성법을 개발했다고 9일 밝혔다. 이 기술은 차량용 연료전지, 수전해 전지·드론 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
친환경 수소 연료전지 성능과 수명을 늘리기 위한 연구가 활발하다. 특히 연료전지 촉매로 각광받는 백금(Pt)의 활성과 활용도를 높이기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 하지만 백금 기반 연료전지 촉매는 활용도가 우수하지만 가격이 비싸고 내구성이 약하다. 내구성을 높이려면 탄소소재 특성들을 균형있게 확보할 수 있는 새로운 합성법이 필요하다.
연구팀은 650℃의 낮은 온도에서도 높은 수준의 흑연성을 도입할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다. 질소가 포함된 유기물 전구체를 마그네슘(Mg) 금속 분말과 열처리하는 단순한 공정으로 마그네슘의 큰 환원력을 활용, 열처리 온도를 획기적으로 낮췄다. 또 마그네슘 금속이 자체 주형제로 작용해 고흑연성 탄소 소재에 다공성 구조와 높은 비표면적을 도입했고 저온 공정으로 충분한 질소가 성공적으로 탄소에 도핑됐음을 확인했다.
연구팀은 마그네슘 기반 저온처리 방법으로 전기화학 촉매를 위해 담지체가 갖춰야 할 3가지 필수조건인 △안정성 및 전기전도를 위한 고흑연성(Graphiticity) △뛰어난 다공 구조와 표면적(Porosity) △질소 등 이종원소 도핑(Heteroatom Doping)을 모두 가진 탁월한 담지체를 제작했다.
연구팀은 자체 제작한 담지체가 가진 특징 중에서 고흑연성은 탄소 담지체 내구성을 개선하고, 이종원소 도핑은 백금 나노입자와 안정적인 결합으로 백금의 용해를 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 예상했다. 연구팀이 개발한 '백금-고결정성 질소도핑 탄소(Pt-HGNC)' 촉매는 24%만 감소하고, '백금-탄소(Pt-C)' 촉매보다 3.5배 안정적임이 확인됐다.
유종성 교수는 “기존 탄소 소재 합성한계를 극복할 저온합성 전략을 제안하고 이를 통해 합성한 신규 탄소 담지체가 적용된 연료전지 촉매로는 백금촉매와 탄소 담지체 내구성 기준을 동시에 만족하는 최초의 촉매를 개발했다. 차량용·발전용 연료전지 상용화와 연료전지 촉매 내구성 향상에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 캘리포니아공과대 고다드 교수팀, 포스텍 최창혁 교수팀과 공동으로 수행했다. 이하영 DGIST 에너지공학과 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 최근 환경 분야 최상위 학술지인 'Applied Catalysis B:Environmental'에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
