포스텍 등 국내 연구팀이 내구성과 경제성 측면에서 모두 합격점을 받을 수 있는 수소 연료전지용 촉매를 만들었다.
포스텍은 최창혁 화학과 교수가 김형준 KAIST 화학과 교수, 오형석 KIST 박사 연구팀과 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매 성능을 떨어뜨리는 주요 원인을 밝히고, 내구성을 높일 합성 전략을 제시했다고 6일 밝혔다.
철을 기반으로 한 철-질소-탄소 촉매는 수소 연료전지에서 값비싼 금속 대신 사용되고 있다. 하지만 수소차 등에 실제로 적용하면 촉매 열화현상으로 연료전지 성능이 급격하게 떨어진다.
연구팀은 수소 연료전지 구동 중 실시간으로 전극의 열화를 모니터링하는 질량 분석기(ICP-MS) 기반 분석 시스템을 이용했다. 이 시스템으로 촉매 변화를 추적한 결과, 전지에 전압이 가해지면 촉매를 구성하는 철 이온이 전해질 속으로 용출됐다. 그로 인해 활성점(Active Site) 금속인 철의 밀도가 급격하게 감소하며 촉매 안정성이 낮아져 전지에 흐르는 전류량이 감소했다. 연구팀은 시간에 따른 촉매 활성 감소 원인을 활성점 밀도와 전환빈도 변화라는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 이어 전지 온도와 기체 조성, 산성도(pH) 등 조건이 철의 용출과 전지성능에 미치는 영향을 분석했다. 이를 바탕으로 철-질소-탄소 촉매의 내구성을 높이기 위한 합성 전략을 제시했다. 철 이온 주변에 안정제 금속 이온을 도입해 활성점 금속인 철의 용출을 효과적으로 완화했다. 또 이를 수소 연료전지 양극에 적용해 전지 안정성과 내구성을 높임으로써 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다.
최창혁 교수는 “철-질소-탄소 촉매의 내구성을 저하시키는 요인을 명확하게 규명했다. 수소 연료전지를 포함한 다양한 신재생 에너지 분야에서 전지 효율을 높일 촉매 역할을 하기 바란다”고 말했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래소재디스커버리 지원사업과 집단연구지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 화학·화학공학 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
