데일리연합강대석기자)KAIST(총장 신성철) 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 백금 사용량을 90% 줄이면서 동시에 수명은 2배 향상시킨 연료전지 촉매를 개발했다.

임정훈 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 4월호(4월 11일자)에 게재됐다.

연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치로 기존 발전 설비를 대체할 수 있다. 연료전지를 주원료로 이용하는 수소 전기차 한 대는 성인 70명이 호흡하는 공기로부터 미세먼지와 초미세먼지를 98% 이상 정화할 수 있는 달리는 공기청정기로 불린다.

하지만 이 연료전지에 전극촉매로 사용되는 백금의 비싼 가격은 상용화를 가로막는 큰 장벽이다. 또한 현재 개발된 탄소 담지 백금 나노촉매는 상용화 기준에 못 미치는 산소환원반응 활성과 내구성을 보여 한계로 남아있다.

연구팀은 기존 백금 기반 촉매들의 산소환원반응 활성 및 내구성을 증진하는 것을 목표했다. 우선 백금과 니켈 합금 촉매를 합성한 뒤 성능 증진을 위해 여러 금속 원소를 도입한 결과 갈륨이 가장 효과적임을 발견했다.

연구팀은 백금-니켈 합금 촉매를 팔면체 형태의 나노입자로 만들고 나노입자의 표면에 갈륨을 첨가해 기존 백금 촉매에 비해 성능을 12배 향상시켰다.

특히 기존 연료전지 촉매들이 대부분 실제 시스템에 적용하는 데는 실패한 반면 조 교수 연구팀은 개발한 촉매를 이용해 연료전지를 제작해 가격을 30% 줄이고 수명도 2배 이상 향상시켜 실제 적용이 가능함을 증명했다.

1저자인 임정훈 연구원은 “기존 합성 방법으로 제조 가능한 백금 니켈 합금 촉매 표면에 갈륨을 첨가해 가열만 하면 촉매가 합성되기 때문에 기존 공정에 쉽게 도입이 가능하고 대량 생산이 용이해 실용화 가능성이 높다.”고 말했다.

조은애 교수는 “연료전지의 가격저감과 내구성 향상을 동시에 달성한 연구 성과로 수소 전기차, 발전용 연료전지의 시장경쟁력 제고가 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 에너지기술평가원, 한국연구재단 기후변화대응사업과 국방과학연구소의 지원을 통해 수행됐다

□ 연구개요

1. 연구 배경

최근 지구 온난화에 따른 기온상승의 원인으로서 이산화탄소가 지목되고 있다. 이에 따라 이산화탄소 저감을 위해 기존의 화석연료를 대체할 새로운 에너지원을 필요하게 되었다. 수소는 산소와 반응하여 에너지를 발생시키면서 오직 물만을 형성하기 때문에 수소를 운용하는 것이 하나의 해결책으로 부상하게 되었다. 그리고 이와 동시에 수소의 활용률을 높이기 위하여 고효율 발전장치인 연료전지가 함께 부상하게 되었다.

수소연료전지는 수소와 산소의 반응으로 전기와 열, 그리고 부산물로 물을 생성한다. 화학반응을 통해 발생하는 전기와 열을 모두 활용하게 되면 약 60%의 고효율로서 수소 운용이 가능하다. 현재 화석연료의 사용으로 인한 대기공해 및 소음공해의 주원인으로 지목되고 있는 운송 수단을 개선하기 위해 배터리가 탑재된 차량들이 상용화되고 있으나 주행거리가 짧다는 문제점이 발목을 잡고 있다. 하지만 수소연료전지를 사용하게 되면 배터리와 마찬가지로 대기공해, 소음공해가 발생하지 않으며 이와 동시에 내연기관과 유사한 주행거리를 확보할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 그러나 전극촉매로서 백금이 사용되기 때문에 이에 따른 가격 증가가 상용화를 크게 저해하고 있다. 또한 현재 개발되어 있는 탄소 담지 백금 나노촉매(Pt/C)의 경우 상용화 기준에 못미치는 산소환원반응 활성과 내구성을 보여주기 때문에 개선의 여지가 남아있다.

산소환원반응에 사용되는 백금의 사용량을 줄이거나 아예 배제하기 위하여 크게 두 종류의 연구가 진행되고 있다. 첫 번째로 완전 비귀금속 기반 촉매의 개발을 예로 들 수 있다. 현재 Fe-N-C 기반 촉매가 비귀금속 중에 가장 높은 활성을 가지기로 알려져 있으나 아직은 백금촉매에 비해 그 성능이 부족하며 부반응으로서 연료전지를 열화시키는 라디칼을 형성하는 것으로 알려져있다.

두 번째로 백금과 비귀금속의 합금 촉매의 개발이 있다. 이는 백금 사용량을 줄여 가격 저감을 하고 동시에 백금과 비귀금속 간의 상호작용을 통해 더 높은 촉매 활성을 유도하고자 하는 것이 연구 목표이다. 그러나 현재 사용하고 있는 연료전지의 경우 나피온 막을 기반으로 한 산성조건운전을 하고 있기 때문에 비귀금속 촉매들이 용출되어 연료전지의 성능을 열화시킨다는 문제점이 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 기존의 백금 기반 촉매들의 산소환원반응 활성 및 내구성을 증진시키는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 먼저 백금 촉매보다 높은 활성을 지닌다고 알려져 있는 백금-니켈(PtNi) 합금 촉매를 합성하였으며, 성능을 더욱 증진시키기 위하여 여러 가지 금속 원소를 도입한 결과 최종적으로 갈륨(Ga)이 가장 효과적인 것을 발견하였다.

이러한 장점을 가지는 갈륨 원소를 간단한 혼합(PtNi 촉매와 Ga 전구체를 혼합) 및 가열을 통해 Ga-doped PtNi/C 촉매를 합성하였다.

추가원소의 높은 도핑량은 오히려 촉매의 활성에 악영향을 끼친다고 알려져 있으나 Ga의 경우 약 2 at% 정도의 적절한 양만 도핑이 되었으며 이는 PtNi 촉매의 활성을 증진시키고 Ni의 용출을 막는 효과를 지니게 되었다.

그 이유는 Ni, Ga이 백금과 상호작용을 일으켜 백금의 산소결합에너지를 최적값에 가깝게 만들기 때문인 것으로 분석결과 나타났다. 기존의 백금 촉매는 산소결합에너지가 최적값에 비해 높으며 PtNi 합금촉매의 경우 최적 산소결합에너지에 비해 조금 낮다. Ga은 PtNi 합금촉매의 산소결합에너지를 약간 강하게 만들어 주어 최적값에 근접시킴으로서 촉매적 활성을 높여주는 역할을 하게 된다.

또한 Ga이 Ni의 용출 막아주는 효과가 있기 때문에 PtNi과 달리 Ga-PtNi 촉매는 구조가 무너지지 않고 그 활성이 오랫동안 지속될 수 있다는 것도 확인하였다.

이러한 현상을 통해 고활성, 고내구성을 지니는 연료전지용 촉매가 만들어졌으며, 이는 기존의 백금 촉매에 비해 12배 가량 높은 성능을 가진다. 또한 기존의 백금 촉매에 비해 높은 내구성을 가지는 것이 확인되었고, 실제 연료전지에서 동일한 효과가 나타난 것을 토대로 이후 연료전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

□ 용어설명

탄소 담지 백금 촉매 (Pt/C)

촉매반응에서 널리 사용되는 백금 촉매의 사용량을 줄이고 면적을 극대화시키기 위하여 탄소 담지체 위에 나노크기의 백금 입자를 담지시킨 촉매이다. 많은 연구들이 백금 사용량을 줄이기 위하여 진행되고 있다.

산소환원반응 (Oxygen Reduction Reaction)

촉매 표면에서 산소가 전자를 받아들이면서 환원되는 반응을 뜻한다. 산성조건에서는 수소 이온과 산소와 전자가 만나 물을 형성하며 염기성 조건에서는 산소가 물과 전자를 만나 수산화 이온을 형성한다.

□ 사진 설명

그림 1. Pt/C, PtNi/C, Ga-Pt/C의 (a) 결정 구조, (b) 표면적 측정을 위한 cyclic voltammetry, (c) 산소환원반응 활성

그림2. 내구성 평가 후의 촉매 입자 형상 변화 (a) Ga-PtNi/C (b) PtNi/C

그림3. 촉매 별 실제 단위전지 성능평가 결과 (a) Ga-PtNi/C (b) PtNi/C (c) Pt/C

□ 인적사항

소 속 : KAIST 신소재공학과

□ 학력

1996: KAIST 재료공학, 학사

1998: KAIST 재료공학, 석사

2002: KAIST 재료공학, 박사