작성일 : 20-09-14 14:41
KIST 윤경중 에너지소재연구단 박사 연구팀이 이윤정 한양대 교수와 공동연구···나노입자로 백금 원자 개별 반응성 향상 , 전력·수소 동시 생산···고성능 촉매 개발
 글쓴이 : happy
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(왼쪽부터) 고체산화물 연료전지 전극, 전극 내부 표면에 형성돼 있는 단일원자 촉매, 촉매 표면에 분산돼 있는 백금 원자(밝은 점). <사진=KIST 제공 >
세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 고온에서도 작동하는 높은 효율성과 수소를 재생산하는 복합발전이 가능하다. 상용화 관건은 고온에서도 안정적으로 작동하는 촉매 개발이다. 현재 가장 좋은 성능으로 알려진 백금계 촉매는 고온에서의 저효율성과 제한된 매장량, 높은 가격이 문제 돼왔다.

이 가운데 국내에서 소량의 백금만 사용하면서도 고온에서 안정적으로 작동하는 촉매를 개발해 비상한 관심을 끌고 있다. 

KIST(원장 윤석진)는 윤경중 에너지소재연구단 박사 연구팀이윤정 한양대 교수와 공동연구를 통해 단일원자 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다. 해당 촉매는 전극 반응속도를 10배 이상 높이고, 700도 이상의 고온에서도 500시간 이상 안정적으로 작동했다. 또 전력과 수소 생산 성능을 3~4배 향상시켰다. 고체산화물 연료전지 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다

연구진이 개발한 단일원자 촉매는 백금 원자와 세륨(Ce) 산화물 나노입자를 강하게 결합시킨 것이다. 백금 원자 하나하나가 세륨 산화물 나노입자 표면에 개별적으로 분산돼 있으며, 강력한 결합력으로 고온에서도 분산된 원자 상태를 장시간 유지한다. 때문에 모든 백금 원자가 반응에 원활하게 참여할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 이에 따라 백금 사용량을 최소화하면서도 전극 반응속도를 크게 향상시킬 수 있었다.

새로 개발한 고체산화물 연료전지용 촉매는 백금과 세륨 이온이 녹아있는 용액을 연료전지 전극 내부로 주입한 후 연료전지가 고온에서 작동하는 동안 촉매가 합성되도록 했다. 별도의 특수장비 없이도 간단하게 전극에 주입할 수 있어 기존 연료전지에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

윤경중 박사는 "개발된 촉매는 단순한 저가 공정을 이용해 다양한 종류의 고체 산화물 연료전지 등에 폭넓게 적용될 수 있다"며 "특히 단일원자 촉매가 매우 높은 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 가능성을 제시함에 따라 향후 고온 열화학 반응, 고온 전기화학 반응 등으로 활용범위가 확장될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요 사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행된 해당 연구는 'Energy & Environmental Science' (IF: 30.289, JCR 분야 상위 0.189%) 최신 호에 게재됐다.