광주과학기술원 최창혁 교수팀, 백금 대신 사용할 단원자 촉매 성능 측정 기술 개발
[아시아경제 김봉수 기자] 수소연료전지 개발은 미래 신재생에너지 기술의 핵심 과제다. 전기자동차가 떠오르고 있지만 결국 전기 생산은 이산화탄소를 대량 발생하는 화력 발전에 의존하고 있기 때문이다. 수소연료전기 개발의 기술적 난제 중 하나는 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생산하게 만드는 촉매가 희귀성 귀금속인 백금이라 점이다. 비용이 많이 들고 희귀해 구하기 조차 힘들어 상용화가 어렵다. 이에 따라 저렴한 촉매 개발 연구가 한창인 가운데, 국내 연구진이 백금보다 훨씬 싼 철, 질소, 탄소 등으로 만들어진 촉매를 개발하기 위한 원천 기술을 확보했다.
광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 성능평가를 위한 원천기술을 확보했다고 19일 밝혔다.
백금을 대체할 수소연료전지용 촉매로는 철, 질소, 탄소로 구성된 단원자 철 기반의 촉매가 효율적인 산소환원반응 촉매로 주목받고 있다. 문제는 단원자 철 기반 촉매의 성능을 진단할 수 있는 기술이 없다는 것이다. 따라 촉매 성능 결정 인자인 활성점 밀도, 전환 빈도 파악에 어려움을 겪고 있다. 활성점 밀도란 촉매 표면에서 반응물질이 촉매 작용을 받는 부위의 밀도를 말하며, 전환빈도는 반응물이 촉매의 활성점당 단위 시간당 반응하는 분자의 수다.
연구팀은 철 기반 단원자 촉매에 사이안화 이온(CN-)이 비가역적으로 흡착할 수 있다는 점에 착안해 촉매 성능 결정인자인 활성점 밀도 및 전환빈도를 측정하는 기술을 고안했다. 특수하게 고안된 반응기를 이용해 철 기반의 단원자 촉매에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착했다. 이때 흡착된 사이안화 이온의 양을 자외-가시선(UV-Vis) 분광법으로 정량화했다. 동시에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착한 촉매의 산소환원 반응성 감소량을 측정했고, 이를 통해 촉매의 활성점 밀도와 전환빈도를 성공적으로 도출했다.
최창혁 교수는 “이번 연구성과는 최근 상용화에 근접한 철 기반 단원자 촉매의 성능평가 원천기술을 확보했다는데 가장 큰 의의가 있다”면서 “추후 해당 기술을 활용하여 고활성을 가지는 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
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이번 연구 결과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘오픈어세스 미국화학회지 (JACS Au)’에 지난 13일 온라인 게재되었다.
김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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