KIST 유성종 박사팀, 백금 대체 고성능 탄소튜브 기반 합금 촉매 개발

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 울산과학기술대학교(UNIST) 김광수 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용 가능한 고성능 탄소튜브 기반 질소-전이금속(철-코발트) 합금 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다.

KIST 유성종 박사팀이 개발한 고체 알칼리막 연료전지에 사용 가능한 고성능 탄소튜브 기반 질소-전이금속(철-코발트) 합금 나노 촉매 모식도 [사진=KIST]

일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔다. 하지만 비싼 가격 문제와 소재 자체의 안정성에 대한 한계점에 대한 문제가 꾸준히 제시돼 왔다. 연료전지용 촉매는 장시간 산화 환경에 노출되면서 백금계 소재의 성능 및 내구성 저하 같은 안정성 문제는 해결해야할 과제로 남아있었다.

KIST-UNIST 공동연구진은 알칼리 환경에서 적용 가능한 고활성, 고안정성 소재인 탄소튜브계 질소-전이금속 합금 나노 촉매를 적용해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 합성된 촉매의 탄소튜브 내에 존재하는 질소-코발트, 질소-철 및 철-코발트 합금의 공존에 의해 촉매 표면에서 전자 이동 및 산소 분자의 흡착성을 높여 향상된 산소 환원 반응으로 우수한 활성을 갖는다는 것을 밝혀냈다.

또한, 개발된 촉매는 현재 상용화된 백금 촉매에 비해 30% 향상된 산소 환원 반응 활성 및 내구성을 보이며 성능을 입증했고, 제조 단계에서 드는 합성 비용이 1/12 정도로 감소되어 경제성까지 개선된 신규 비백금계 촉매임을 보였다. 연구진은 실제 연료전지에 적용해 구동이 가능함을 밝혀, 비백금계 촉매 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.

특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 고온에서 다양한 공정을 거쳐 제조되던 것과 달리, 재료의 교반 후 비활성 기체 조건에서 열처리를 통한 최소화된 공정을 거쳐 합성이 가능하기에 시간당 촉매 제조 생산량을 극대화하고, 실제 연료전지 구동을 통해 상용화에 대한 가능성을 보여주었다. 이에 따라 추후 상업적인 단계에서도 소재의 생산 공정 및 연료전지 적용에 대한 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다.

KIST 연료전지연구센터 유성종 박사(왼쪽)와 UNIST 김광수 교수(오른쪽) [사진=KIST]

KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 차세대 알칼리 연료전지용 촉매 성능 및 내구성 향상 뿐 아니라 기존 촉매의 문제점인 백금에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 저가형 촉매 적용이 가능해졌다는 점이 핵심이다”며, “향후 차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 설계, 제조 공정 기술 및 연료전지 적용에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 글로벌 프론티어 R&D 연구사업(멀티스케일 에너지 시스템) 및 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 저명한 국제 학술저널인 ‘Advanced Energy Materials’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.

[최홍식 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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