저비용·고성능 연료전지 촉매 개발

[산업일보]
국내 연구진이 희소금속인 백금(Pt) 사용량을 획기적으로 저감할 수 있는 고효율 멀티스케일 나노 구조를 갖는 연료전지 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연료전지는 수소와 공기 중의 산소와 화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치로서, 배터리와 달리 충전이 필요 없고, 반응 부산물로 물 이외에 일체의 오염물질이 없어 차세대 친환경 동력원으로 각광받고 있다.

이번 성과는 연료전지 촉매로 사용되는 백금의 양을 50%이상 줄이면서도 촉매 효율을 2~5배까지 향상시킬 수 있는 다양한 멀티스케일 나노 촉매 구조를 제시해 연료전지 상용화에 한발 더 다가섰다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(멀티스케일 에너지시스템 연구단, 단장 최만수) 및 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행됐고 한국과학기술연구원 연료전지연구센터의 유성종 박사와 서울대 화학생물공학부 성영은 교수가 주도했다. 연구결과는 세계적 과학 저널인 나노 투데이(Nano Today)에 게재 됐다.

고분자 전해질 연료전지는 미래 수소 연료전지 자동차의 주요 동력원으로 사용되는데, 아직까지는 에너지 발전장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있었다.

고분자 전해질 연료전지 촉매로 활성이 높고 안정한 구조를 갖는 백금이 주로 이용된다. 수 십 년의 연구결과, 백금을 나노 입자로 만들어 전기화학적 활성 면적을 극대화해 그 효율을 증대 시켜 왔지만 저비용 고성능 연료전지를 상용화하기 위해서는 아직도 많은 양의 백금을 줄여야 하는 문제가 남아 있다. 따라서 현재보다 백금의 사용량을 현저히 저감시키기 위해 백금의 사용을 최소화할 수 있는 새로운 구조를 갖는 나노 입자를 정교하게 디자인하고 제조하는 기술이 절실히 요구되고 있다.

연료전지의 상용화 목표치는 $30/kw이나 현재 양산되는 연료전지 가격은 $47/kw며, 이 중 연료전지의 촉매가 가격에서 차지하는 비중은 50%($24/kw) 이상이다. 연료전지 전극에 사용되는 백금 촉매의 양을 획기적으로 줄일 경우, 백금 촉매 가격을 $8/kw 이하까지 낮출 수 있어 연료전지의 상용화 목표 가격에 근접할 수 있다.

연구진은 전이 금속 합금 구조를 통해 백금 사용량을 약 40%까지 줄였고, 나아가 코어-쉘 구조 및 hollow 구조를 통해 백금을 나노 입자 표면층에만 사용해 백금 사용량을 50% 이상 줄였음에도 불구하고 기존 백금 촉매 성능의 2~5배까지 촉매 효율이 향상되는 결과를 보여 줬다.

전이 금속 합금 구조에서 코어-쉘, hollow 구조까지 멀티스케일로 나노 입자 표면 구조를 성공적으로 제어할 수 있었고 결과적으로 뛰어난 연료전지 성능을 보여 줬다. 이러한 신개념 합성법을 이용할 경우 다양한 금속 원소의 조합을 갖는 멀티스케일 촉매 제조가 가능할 것으로 판단되며 물 분해 반응, 이산화탄소 환원 반응, 메탄올 산화 반응, 개미산 산화 반응 등 다양한 전기화학 촉매 반응에의 응용이 가능할 것이다.

연구진은 “이번 연구에서 개발된 멀티스케일 나노 구조를 갖는 전이 금속 합금, 코어-쉘 및 hollow 촉매 합성기술은 연료전지뿐만 아니라, 물 분해, 수소 개질, 자동차용 배출가스 정화 장치 등의 넓은 분야에 걸쳐 활용될 가능성을 갖고 있으며, 다양한 형태의 나노 촉매 구조의 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.