나노샌드위치 구조로 연료전지 촉매 내구성 문제 풀었다

한국에너지기술연구원, 박테리아 셀룰로오스의 고부가가치 활용 기술 개발
다공성 그래핀 나노샌드위치 구조로 연료전지 촉매 내구성 극대화

ACS Applied Energy Materials 표지 논문(02.22) : 박테리아 셀룰로오스 표면(회색 그물구조)에 담지된 백금 나노 촉매]연두색 입자)의 표면에 그래핀 보호막(검은색 그물구조)을 적용한 샌드위치형 연료전지 전극. 합성된 초박막 전극은 연료전지용 촉매 성능평가에서 우수한 성능과 장기안정성을 확보. 제공=한국에너지기술연구원

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 연료전지에 사용되는 백금 촉매의 성능과 내구성 향상을 위해 박테리아가 만들어낸 나노셀룰로오스와 백금 나노입자, 다공성 그래핀이 층을 이룬 샌드위치 구조로 결합된 새로운 촉매구조를 개발했다.

한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사 연구팀이 바이오매스의 일종인 박테리아 셀룰로오스를 원료로 사용해 600℃ 이상의 비교적 낮은 온도에서 열처리하는 것만으로 표면적과 전기전도도가 우수한 탄소를 제조하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

개발된 탄화체 표면에 백금 나노입자를 담지하고, 백금 입자 표면에 다공성 그래핀 보호막을 적용한 새로운 나노샌드위치 구조를 통해 기존의 상용 촉매에 비해 장기 안정성이 220% 이상 향상된 연료전지용 촉매 합성에 성공했다.

셀룰로오스 소재는 천연 고분자 중 하나로 친환경적이고 재생가능하며 기존의 복합재보다 저렴하다는 장점이 있다. 박테리아 배양을 통해 생산되는 셀룰로오스는 높은 결정화도, 수분 흡수율, 기계적 강도 등의 특징을 보이며, 순수 셀룰로오스로 구성돼 정제과정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 특히 생체적합성이 우수해 현재까지는 의료, 화장품, 식품 등 분야에 사용되고 있으나 에너지소재로서의 고부가가치 활용사례는 극히 드물다.

온실가스 감축과 환경규제 강화로 수소는 그린뉴딜과 탄소중립 전환의 핵심적인 역할을 하고 있다. 수소에너지를 활용하는 연료전지는 수송부분, 발전부문 등 다양한 분야로 확대되며 수소사회 성장을 주도하고 있다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 고효율 발전시스템으로, kW당 가격 저감을 위해 스택, 수소추출기, 인버터 등의 시스템 국산화와 촉매로 사용되는 백금의 대체 또는 효율적 사용 등 기술개발이 활발히 이뤄지고 있다.

고분자전해질연료전지용 나노샌드위치 구조의 백금 촉매의 합성 방법. 제공=한국에너지기술연구원

고분자전해질연료전지에 사용되는 백금 촉매는 우수한 성능에도 불구하고 높은 가격으로 인해 제조비용을 절감하는 것과 동시에 장기내구성을 향상시키는 것이 핵심이다. 연구자들은 촉매의 크기를 감소시켜 적은 양의 원료로도 넓은 활성 면적을 얻는 방법을 연구한다. 그러나 촉매 입자의 크기가 작아질수록 입자의 불안정성 또한 증가하게 되어 더 쉽게 용해(dissolution)되거나 응집(ripening)되어 오히려 비활성화에 더 취약하게 되는 단점이 있다.

연구팀은 이러한 기존의 연료전지용 촉매의 단점을 극복하기 위해 새로운 나노샌드위치 구조의 촉매를 제시했다. 즉, 탄화된 박테리아 셀룰로오스를 촉매지지체로 하고, 이 표면에 화학기상증착법을 사용해 백금 나노입자를 고분산 담지한 후 다공성 그래핀 덮개를 적용하는 새로운 나노샌드위치형 촉매구조를 합성했다.

나노샌드위치형 백금 촉매는 셀룰로오스 지지체의 우수한 전기적, 내화학적 특성과 함께 그래핀 덮개의 촉매입자 부식, 탈락, 응집을 방지하는 효과로 인해 기존 상용 촉매에 비해 내구성이 220% 이상 향상되는 결과를 얻었다.

연구진이 개발한 나노샌드위치형 촉매는 박테리아 셀룰로오스 탄화체의 초박형 구조로 인해 초박막 전극의 제조에 유용하며, 이 외에도 전기화학적 수소생산 등 다양한 전기화학반응에 효과적으로 적용할 수 있다. 박테리아 셀룰로오스를 원료로 하는 다공성 나노탄소는 기존 탄소소재인 카본블랙, 활성탄소의 합성 공정보다 현저히 낮은 온도에서 합성이 쉬어 기존의 탄소소재를 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

김희연 에너지소재연구실 책임연구원은 “2000년대 중반부터 천연 셀룰로오스 소재의 고부가 활용기술 개발을 통해 다양한 셀룰로오스 탄화체를 합성하고 이를 촉매 지지체 및 연료전지 전극 등에 활용하기 위한 기술을 연구해왔다”며 “이번 연구는 바이오매스의 고부가 활용기술 및 반도체 공정 기반 촉매 제조기술을 접목하여 시너지를 창출하였다는 것에 또 다른 의미가 있다”고 설명했다.

이번 결과는 미국 화학회에서 발행하는 ‘ACS Applied Energy Materials’에 지난달 22일 표지 논문으로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr