IBS, 값비싼 백금 촉매 대체할 구멍 뚫린 나노 촉매 개발

마이크로·메조·마크로…다양한 기공 가진 촉매로 가격 10배↓ 안정성↑ 

서로 다른 다공성 구조를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매 마이크로(<2 nm), 메조(2-50 nm), 마크로(>50 nm) 기공 모두를 가진 ‘계층적 다공 나노구조’ 촉매(a). 마이크로.마크로 기공만을 가진 촉매(b). 마이크로.메조 기공만을 가진 촉매(c). 이번 연구에선 다양한 다공 나노구조를 가진 모델 촉매의 전기화학 분석을 통해서 마이크로, 메조, 마크로 기공 모두를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매(a)가 백금을 대체할 만한 높은 성능에 도움이 됨을 정성, 정량적으로 입증했다.

연구 눈문 표지

수소자동차의 경쟁력을 좌우하는 연료전지 촉매의 가격을 10분의 1로 줄이면서도, 안정성은 대폭 높일 수 있는 새로운 촉매 개발 기술이 발표됐다.

기초과학연구원(IBS)은 11일 나노입자 연구단(단장 현택환) 연구팀이 이같은 기술개발에 성공했다고 밝혔다.

연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다.

문제는 현재 촉매로 사용되는 백금의 가격이 1kg당 1억원 이상인 고가라는 점과 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 불안정성이었다. 연료전지와 수소자동차의 상용화를 위해 가격과 성능 문제를 모두 해결한 비(非)귀금속 촉매 개발이 요구되는 상황이다.

현택환 단장, 성영은 부연구단장이 이끄는 연구팀은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 연구진은 크기가 서로 다른 기공(구멍)이 송송 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 도입했다. 지금까지 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려졌지만, 각 기공의 크기가 연료전지의 성능에 미치는 영향이 규명되진 않았다.

새로 제작된 촉매는 세 종류의 기공을 가진다.

지름을 기준으로 마이크로 기공(<2nm), 메조 기공(2~50nm), 마크로 기공(>50nm)이다. 연구진은 각 나노 기공의 역할을 정량.정성적으로 분석했다.

그 결과 지름이 2~50nm 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀, 전기화학적 활성을 높이는 역할을 하는 것으로 나타났다.

[e-mail] 조석장 기자