[과학을 읽다]오래가고 높은 효율…수소전지 나온다

KIST 연구팀, 관련 기술 개발

▲아미드 기를 가진 고분자의 선택적 기능화를 통한 유무기 하이브리드 백금·코발트 합금 촉매 제조 과정.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 과학자들은 촉매와 사랑에 빠지는 경우가 많습니다. 자신은 변화시키지 않으면서 주변의 물질을 변화시켜 엄청난 성과를 내기 때문입니다. 촉매와 사랑에 빠져본 이들은 왜 촉매가 사랑스러운지 자연스럽게 느낄 수 있습니다.

촉매와 사랑에 빠진 국내 연구팀이 유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매를 개발했습니다. 매우 오래가고 안정성도 높고 고효율의 연료전지 촉매를 만들었습니다. 이번 기술을 응용하면 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 나설 수 있을 것으로 기대됩니다.

수소 연료전지는 자동차와 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장의 한 축입니다. 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매가 많이 사용됩니다. 백금은 값이 비쌉니다. 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮을 수밖에 없죠.

연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용돼야 합니다. 이 같은 단점으로 값이 싼 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했습니다. 수소 연료전지로부터의 안정적 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것은 매우 어려운 과제였습니다.

지난 10년 동안 고가의 백금 촉매 사용량을 줄이면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행됐습니다. 나노(10억분의1m) 기술 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었죠. 문제는 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못했고 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 뒤따랐습니다.

유성종 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적 단점을 보완하기 위해 아미드(amide)기를 가진 고분자를 이용했습니다. 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성과 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발한 것이죠.

아미드(amide)는 화학에서 질소 원자 (N)와 연결된 카보닐기(R-C=O)를 이루는 작용기를 포함하고 있는 유기화합물을 말합니다. 암모니아 또는 아민의 수소 원자가 산기(아실기)나 금속원자로 치환된 화합물로 아실기로 치환된 것은 폼아마이드 외에는 대부분 무색 결정으로 유기합성 원료로 이용됩니다.

나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 했습니다. 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰습니다. 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타나면서 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지해 촉매 내구성이 약 4배 정도 높아졌습니다.

유 박사는 "유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 차별성을 가진다"며 "이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다"고 설명했습니다.

연구결과는 에너지와 나노 분야의 국제 학술지 'NPG Asia Materials' 1월호(논문명: Organic-inorganic hybrid PtCo nanoparticle with high electrocatalytic activity and durability for oxygen reduction)에 실렸습니다. 제1저자는 충남대학교 에너지과학기술대학원 정남기 교수이고 교신저자는 한국과학기술연구원 유성종· 이승철 박사입니다.