나노크기 지능형 촉매로 연료전지 성능 2배 높여

[산업일보]
국내 연구진이 기존 연료전지보다 성능을 2배 이상 높일 수 있을 기술을 개발했다.

한국연구재단은 인천대학교 명재하 교수 연구팀(이하 연구팀)이 금속 나노촉매 기술을 활용해 차세대 고체산화물 연료전지를 개발했다고 16일 밝혔다.

연료전지는 탄소중립 시대에 주목받는 에너지원으로 효율 향상을 위해 촉매 반응성을 높이는 나노입자에 대한 연구가 활발하다. 특히 용출 나노입자의 크기와 수, 형상을 제어하는 게 핵심으로, 나노입자 성장을 정량적으로 예측하고 제어하는 기술이 필요하다.


연구팀에 따르면, 나노 크기의 금속 입자를 산화물 표면 위에 고르게 용출시키는 지능형 촉매를 개발했다. 이 촉매는 자가성장 기술을 활용함으로써 소량의 금속 사용으로도 균일하게 성장해 반응활성 면적을 넓힌다.

더불어, 용출 소재의 내부구조를 분석해 나노입자의 성장을 제한하는 요인을 밝혔으며, 촉매 성장을 정략적으로 제어할 수 있는 모델을 개발했다고 했다.

연구팀은 자체 제작한 연료전지가 비촉매 연료전지 대비 2배 이상 높은 최대출력밀도를 나타냈으며 200시간 이상 장기내구성 평가에서 뚜렷한 열화 없이 안정적인 성능을 유지했다고 밝혔다. 아울러, 전기화학적 스위칭 기법을 이용해 나노입자 성장을 활성화시키고 느린 이온확산에 의한 성장 제한을 극복했다고 소개했다.

또한 나노촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있어 연료전지뿐만 아니라 물을 이용해 수소를 생산하는 수전해전지, 차세대이차전지, 개질촉매 등과 같은 다양한 에너지 변환기술에도 적용이 가능할 것으로 내다봤다.

이에 대해 명재하 교수는 본보와의 서면질의를 통해 “수소 연료전지, 수전해전지, 이차전지, 개질촉매들은 특정한 금속촉매가 많이 사용된다. 이때 금속촉매를 나노화시키기 위해서 분야마다 다양한 공정을 도입한다. 개발한 기술은 나노금속을 세라믹모체에서 성장시키는 것이라 적용이 가능하다. 기존 공정에 비해 저렴하고, 나노금속과 세라믹 모상이 강하게 연결돼 있어서 성능과 내구성이 우수하다”라고 답했다.