카이스트 연구팀 저렴한 소재 개발
고가 귀금속 백금보다 1000배 싸
미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지의 한계는 가격이다. 값비싼 귀금속 백금을 촉매로 사용해야 하기 때문이다. 그런데 국내 연구진이 이보다 1000배 이상 저렴한 촉매 소재를 개발해 비용을 대폭 낮출 수 있게 됐다.
한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 조은애 신소재공학과 교수 연구팀이 한정우 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀과 공동으로 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하고, 해당 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히, 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다. 연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고, 활성 메커니즘을 규명했다. 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 PEMFC 뿐만 아니라, 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에도 적용이 가능하다. 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다.
조 교수는 “기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”며 “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높이는 데 성공했다”라고 말했다.
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이번 연구 결과는 미국 화학회 촉매 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’에 지난달 3일 온라인 게재됐다. 또 해당 학술지 보조 표지 논문(Supplementary front cover)로 실렸다. (논문명: Transformation of the Active Moiety in Phosphorus-Doped Fe-N-C for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction)
김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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