백금보다 성능 좋은 연료전지용 탄소튜브 합금촉매 개발
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  • 승인 2018.09.17 14:33
  • 업데이트 2018.09.17 14:33
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알칼리 연료전지용 탄소튜브 합금 촉매 논문 표지[한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]
알칼리 연료전지용 탄소튜브 합금 촉매 논문 표지[한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

KIST-UNIST 연구팀 "성능·내구성 백금 촉매 능가…상용화 기대" 

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 차세대 연료전지로 주목받는 알칼리 연료전지에 사용되는 고가의 백금 촉매보다 성능과 내구성이 우수하면서도 저렴한 탄소튜브 기반의 고성능 합금 촉매를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 17일 울산과기원(UNIST) 김광수 교수와 공동연구로 백금 대신 탄소튜브 기반 합금을 적용한 촉매를 개발, 알칼리 연료전지의 성능과 내구성을 향상하는 데 성공했다고 밝혔다.

알칼리 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키면서 물만 배출, 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 기존 알칼리 연료전지는 촉매로 보통 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노입자를 사용한다.

그러나 백금 기반 촉매는 비싼 가격과 소재 자체의 안정성 한계가 문제가 돼 왔다. 장시간 산화 환경에 노출되면서 백금계 소재의 성능과 내구성이 떨어지기 때문에 이를 개선하거나 대체할 촉매를 개발하는 연구가 진행돼 왔다.

연구팀은 이 연구에서 고체 알칼리막 연료전지에 사용할 수 있는 고성능 탄소튜브 기반의 질소-전이금속(철-코발트) 합금 나노 촉매를 개발했다.

이 촉매는 탄소튜브 안에 있는 질소-코발트(N-Co), 질소-철(N-Fe), 철-코발트(Fe-Co) 합금에 의해 촉매 표면에서 전자 이동과 산소 분자의 흡착성을 높아지면서 산소 환원 반응이 향상돼 우수한 활성을 갖는 것으로 밝혀졌다.

탄소튜브 합금 촉매 합성 과정탄소튜브 기반 질소-전이금속 합급 촉매 합성과과 제조된 형상 및 전기화학 반응 결과 [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]
탄소튜브 합금 촉매 합성 과정탄소튜브 기반 질소-전이금속 합급 촉매 합성과과 제조된 형상 및 전기화학 반응 결과 [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

또 이 촉매는 산소 환원 반응 활성과 내구성이 현재 상용화된 백금 촉매보다 30% 향상되고, 제조 단계에서 드는 합성 비용은 백금 촉매의 12분의 1 정도로 줄었다.

연구팀은 이 촉매를 고온에서 다양한 공정을 거치는 기존 합성법 대신 열처리를 최소화한 새 공정을 개발, 시간당 촉매 제조 생산량을 극대화해 상업적 단계에서 소재 생산공정과 연료전지 적용 장벽을 크게 완화할 수 있을 것으로 전망했다.

유성종 박사는 "이 연구로 연료전지용 촉매에 기존 백금을 대체할 수 있는 새로운 저가형 고성능 후보군을 제시했다"며 "향후 차세대 에너지원에 적용되는 소재 설계 및 제조 공정 기술 발전에도 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials)에 표지논문으로 게재됐다.

KIST 유성종 박사(왼쪽)과 UNIST 김광수 교수[한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]
KIST 유성종 박사(왼쪽)과 UNIST 김광수 교수[한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr



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