국내 연구진이 백금보다 값싼 연료전지 촉매를 개발하는데 성공했다.
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수연구팀과 국민대학교 장세근 교수연구팀, 서강대학교 백서인 교수연구팀은 비백금계 촉매 기반 고(高) 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발했다고 7일 밝혔다.
다양한 연료전지 가운데 '양성자 교환막 연료전지'(PEMFC)는 수송용 및 발전용으로 현재 상용화가 진행되고 있지만, 촉매로 백금을 사용해야 하는 탓에 대량생산에 한계가 있다. 백금 촉매는 자원의 희소성으로 가격이 높기 때문이다.
'M-N-C계' 촉매는 다른 비(非) 백금계 촉매들에 비해 상대적으로 좋은 성능을 가진다고 알려져 백금을 대체하고 기존 연료전지 비용을 줄이기 위한 가장 유력한 후보물질로 주목받고 있다. 하지만 PEMFC 연료전지에서 높은 전력밀도를 구현하는 데는 많은 한계가 있었다.
이에 연구팀은 M-N-C계 촉매 가운데 하나인 '철-질소-탄소(Fe-N-C)' 촉매에 나노입자 활성점 주변의 결함 정도를 조절해 높은 전력밀도를 구현하는 'Fe-N-C' 촉매를 합성했다. 탄소 기반의 물질을 특정 양의 이산화탄소(CO2)를 흘려주면서 열처리를 진행하는 이산화탄소 활성화 방법을 통해 탄소 기반 촉매 내부의 결함 정도를 미세 조정했고 그에 따른 최적화된 촉매가 활성화되는 것을 연구팀은 확인했다.
연구팀은 결과적으로 적절한 결함을 가질 때 철 단일원자 활성점의 전자구조가 최적화되면서 결함을 만들지 않은 기존 Fe-N-C 촉매에 비해 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공하는 것을 확인해 결함과 활성점의 성능 상관관계에 대해 규명했다.
연구팀이 개발한 최적화된 Fe-N-C 촉매는 PEMFC 연료전지에서 기존에 개발된 Fe-N-C 촉매보다 44% 높은 전력밀도를 보였으며, 현재 사용되고 있는 백금 촉매를 대체할 수 있음을 PEMFC 단전지에서 보여줬다.
연구팀이 개발한 비 백금계 Fe-N-C촉매는 높은 전기화학적 특성으로 기존의 백금 촉매 대체를 통해 연료전지의 스택 가격 감소와 그에 따른 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
이진우 교수는 "비 백금계 Fe-N-C 촉매의 결함과 성능의 관계를 밝히고 결함 조절을 통해서 백금을 전혀 사용하지 않고 높은 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발한 것은 큰 의미가 있으며 개발된 촉매 및 합성 방법은 향후 다양한 종류의 연료전지에서 귀금속인 백금을 대체하여 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국전력 사외공모 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced materials) 10월 13일자 온라인으로 게재됐다.
Copyright @ NEWSTREE All rights reserved.
