수소연료전지 촉매 내구성, 활성산소 조절로 향상 가능

[산업일보]
수소자동차의 가격 경쟁력을 갖추기 위해 값비싼 백금 촉매를 저렴한 탄소기반 촉매로 대체하려는 연구가 다각적으로 이뤄졌다. 그 결과 성능 면에서는 기존 백금 촉매에 견줄 만큼 발전됐으나, 100시간도 되지 않는 낮은 내구성으로 인해 상용화로 적용되지 못하고 있다.

그러나, 수소자동차에 저비용 탄소기반 촉매를 적용할 수 있게돼, 친환경 수소자동차 대중화에 한걸음 다가섰다. 최창혁 교수(광주과학기술원)‧김형준 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 수소연료전지 내에서 탄소기반 촉매의 내구성이 저하되는 원인이 활성산소임을 규명했다.

연구팀은 탄소기반 촉매의 낮은 내구성이 중간 생성물인 활성산소 때문임을 규명해, 촉매의 안정성을 확보할 기반을 마련했다.

수소연료전지를 구동할 때 과산화수소가 생성된다. 마치 소독제인 과산화수소를 상처에 발랐을 때처럼 과산화수소가 탄소기반 촉매에 노출되면 활성산소에 의해 거품이 일어난다. 연구팀은 이 활성산소에 의해 촉매성능이 감소한 것을 확인했다.

또한 탄소기반 촉매에서 활성산소에 의해 생긴 산소작용기를 제거하면 촉매 성능이 회복됐다. 촉매의 구조는 붕괴되지 않아, 활성산소를 제어하는 것만으로 성능을 80% 이상 회복할 수 있다.

최창혁 교수는 “이 연구는 탄소기반 촉매의 내구성에 대한 지난 수년간의 수수께끼를 풀어낸 것이다”라고 설명하며, “향후 활성산소 제어를 통해서 탄소기반 촉매의 성공적인 연료전지 자동차 도입을 연구할 계획이다“라고 밝혔다.

최 교수에 따르면, 이 연구에서는 수소연료전지의 탄소기반 촉매개발 관련 분야에 있어서 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 그들의 낮은 내구성의 원인을 규명하는 데 성공했다. 연료전지 구동 중 발생하는 활성산소로 인해 탄소기반 촉매의 표면이 산화되는 것을 확인했으며, 이는 촉매의 성능저하와 직접적으로 연결됨을 알 수 있었다.

이를 활용한다면 높은 내구성을 가지는 탄소기반 촉매의 개발이 가속될 것으로 기대되며, 이는 향후 수소연료전지 내 백금 촉매의 성공적인 대체를 통해 친환경 자동차의 가격 경쟁력 강화 및 성공적인 대중화를 위한 하나의 돌파구가 될 것으로 기대된다.