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IBS, 값비싼 백금 촉매 대체 '기공' 나노 촉매 개발

등록 2019.02.11 12:01:00

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가격은 10% 수준으로 낮추고 안정성은 높여

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 서로 다른 다공성 구조를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매. 마이크로·메조·마크로 기공 모두를 가진 ‘계층적 다공 나노구조’ 촉매(a)와 마이크로·마크로 기공만 가진 촉매(b), 마이크로·메조 기공만을 가진 촉매(c). IBS 연구진은 전기화학 분석을 통해 3종류 기공을 모두 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매(a)가 백금을 대체할 만한 높은 성능을 보인다는 것을 입증했다.2019.02.11(사진=IBS 제공) photo@newsis.com

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 서로 다른 다공성 구조를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매. 마이크로·메조·마크로 기공 모두를 가진 ‘계층적 다공 나노구조’ 촉매(a)와 마이크로·마크로 기공만 가진 촉매(b), 마이크로·메조 기공만을 가진 촉매(c). IBS 연구진은 전기화학 분석을 통해 3종류 기공을 모두 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매(a)가 백금을 대체할 만한 높은 성능을 보인다는 것을 입증했다.2019.02.11(사진=IBS 제공) [email protected]

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 나노입자연구단이 연료전지 촉매의 가격을 10분의 1로 줄이면서 안정성은 대폭 높일 수 있는 새로운 촉매 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.
 
연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다.

하지만 현재 촉매로 사용되는 백금은 1㎏당 1억원 이상의 고가이며 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 불안정성이 수반된다는 단점이 있다.

이에 따라 IBS 현택환 단장이 이끄는 나노입자연구단은 연료전지와 수소자동차의 상용화를 위해 가격과 성능문제를 모두 해결한 비(非)귀금속 촉매 개발에 나서 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발하는데 성공했다.

연구진은 크기가 서로 다른 기공(구멍)이 송송 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 촉매 제작에 활용했다.

 지금까지 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려졌지만 각 기공의 크기가 연료전지의 성능에 미치는 영향이 규명되지 않았다.

새로 제작된 촉매는 지름 기준으로 마이크로 기공(<2㎚), 메조 기공(2~50㎚), 마크로 기공(>50㎚) 등 3종류의 기공으로 돼 있으며 연구진은 각 나노 기공의 역할을 정량·정성적으로 분석해냈다.

【대전=뉴시스】김양수 기자 = IBS의 이번 연구 성과는 최근 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS)에 표지 논문으로 게재됐다.2019.02.11(사진=IBS 제공) photo@newsis.com

【대전=뉴시스】김양수 기자 = IBS의 이번 연구 성과는 최근 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS)에 표지 논문으로 게재됐다.2019.02.11(사진=IBS 제공) [email protected]

분석 결과, 지름이 2~50㎚ 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높이는 역할을 하는 것으로 확인됐다. 또 마크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 수송시켜 성능 향상에 기여하는 것으로 밝혀졌다.

이어 연구진은 개발한 촉매를 연료전지에 적용해 구동 성능을 분석, 다양한 연료전지 구동환경에서 계층적 다공 나노구조의 도입으로 인해 성능이 일관되게 향상된다는 것도 검증했다.

 개발된 촉매를 사용한 연료전지는 1만회 이상 구동해도 활성의 저하없이 안정된 성능을 유지했다.
 
이번 연구는 기존 값비싼 백금계 연료전지 촉매를 대체할 새로운 전략으로 계층적 다공 나노구조를 제시했다는 의미와함께 서로 다른 크기의 나노 기공 역할을 구체적으로 규명하고 다양한 구동환경에서 성능을 입증했다는데 가치가 있다.

연구팀은 이번 연구가 차세대 연료전지촉매 개발은 물론, 다양한 전기화학 응용장치의 효율 증대에 기여할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

성영은 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성의 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼 추후 학문적 발전뿐만 아니라 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS) 온라인판에 지난 6일자(한국시간)로 게재됐으며 표지논문으로도 선정됐다. 논문명은 Design principle of Fe-N-C electrocatalysts: How to optimize multimodal porous structures? / Journal of the American Chemical Society다.

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