작성일 : 19-02-12 17:17
IBS 현택환 나노입자 연구단 연구팀, 비귀금속 촉매 개발로 연료전지 성능 향상
 글쓴이 : happy
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서로 다른 다공성 구조를 가진 비귀금속 연료전지촉매.<사진=IBS 제공 >서로 다른 다공성 구조를 가진 비귀금속 연료전지촉매.<사진=IBS 제공>

국내 연구진이 수소자동차 동력인 연료전지의 가격 저하와 안정성 상승이 가능한 촉매를 개발했다.

IBS(원장 김두철)는 현택환 나노입자 연구단 연구팀연료전지 촉매의 가격은 줄이면서 안정성은  높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다. 

연료전지는 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 하지만 현재 촉매로 사용되는 백금은 고가이며 지속 사용시 성능 저하의 문제가 있다. 연구진은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매로 이 문제를 해결했다.

연구진은 크기가 서로 다른 기공을 갖는 '계층적 다공 나노구조'를 도입했다. 지금까지 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려져 있었다. 하지만 각 기공의 크기가 연료전지 성능에 미치는 영향은 규명되지 않았다.

새로 제작된 촉매는 세 종류의 기공을 갖는다. 지름을 기준으로 마이크로 기공, 메조 기공, 마크로 기공이 그것이다. 연구진은 각 나노기공의 역할을 정량적으로 분석했다.

지름이 2~50㎚ 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높인다. 50㎚이상 크기인 마크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 수송시켜 성능 향상에 기여한다.

연구진은 개발한 촉매를 연료전지에 적용해 구동 성능을 분석했다. 계층적 다공 나노구조 도입은 다양한 연료전지 구동환경의 성능을 일관되게 향상시켰다. 또 개발된 촉매가 사용된 연료전지는 10,000회 이상 구동해도 활성의 저하 없이 안정된 성능을 유지했다.

이번 연구는 다공 나노구조의 탄소 촉매가 기존 백금계 연료전지촉매를 대체할 수 있음을 시사했다. 특히 서로 다른 크기의 나노기공 역할을 구체적으로 규명, 다양한 구동환경에서 성능 향상을 입증했다.

연구진은 이번 연구가 차세대 연료전지촉매 개발과 다양한 전기화학 응용장치에 기여할 것으로 전망하고 있다.

성영은 부연구단장"현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금촉매 사용과 낮은 내구성 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "향후 학문적 발전과 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 미국화학회지(JACS)에 6일자 표지논문으로 게재됐다.

다공성 나노입자의 장점.<이미지=IBS 제공다공성 나노입자의 장점.<이미지=IBS 제공


연료전지 촉매 가격 10분의 1로 낮췄다

2019년 02월 11일 14:01
계층적 다공 나노구조로 이뤄진 연료전지 촉매 표면에 있는 다양한 크기의 기공을 확대한 모습. - 기초과학연구원 제공

계층적 다공 나노구조로 이뤄진 연료전지 촉매 표면에 있는 다양한 크기의 기공을 확대한 모습. - 기초과학연구원 제공

국내 연구진이 값비싼 귀금속을 쓰지 않고 높은 안정성을 가진 연료전지 촉매를 개발해 가격을 기존 대비 10분의 1로 낮추는 데 성공했다. 이 촉매로 만든 연료전지는 1만 회 반복 사용해도 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 구동하는 것으로 나타났다. 차세대 수소자동차 개발의 단초가 될 것으로 기대를 모은다.


기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단의 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 크기가 서로 다른 기공이 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 활용해 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이면서도 안정성은 대폭 높인 새로운 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.


연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 하지만 현재 연료전지 촉매로 널리 사용되는 백금(Pt)의 가격이 ㎏당 1억 원 수준으로 높은 데다 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 문제가 있었다.


연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 다양한 크기의 기공으로 이뤄진 계층적 다공 나노구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발했다. 이전에도 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려져 있었지만 연구진은 이에 더해 각 기공의 크기가 연료전지의 성능에 미치는 영향까지 규명했다. 기공의 크기를 정교하게 조절해 성능을 향상시킬 수 있는 길이 열린 셈이다.


연구진은 연구 결과를 토대로 지름이 2㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 미만인 마이크로 기공과 2~50㎚ 수준인 메조 기공, 50㎚가 넘는 매크로 기공 등 3종류의 기공으로 촉매 구조를 설계했다. 연구진에 따르면 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높이는 역할을 한다. 매크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성 영역으로 수송시켜 성능을 높이는 효과를 내는 것으로 나타났다.

 

미국화학회 제공

미국화학회 제공

이렇게 만든 촉매는 다양한 연료전지 구동 환경에 구애받지 않고 성능이 일관되게 향상됐고, 1만 회 반복 사용해도 성능 저하 현상이 나타나지 않았다. 차세대 연료전지 촉매 개발은 물론이고 다양한 전기화학 응용장치의 효율을 높이는 데 도움이 될 것으로 전망된다.

 

성 부단장“현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성의 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보한 것”이라며 “연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼 추후 학문적 발전뿐만 아니라 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다. 

연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’ 2월 6일자 표지논문으로 게재됐다.