전자레인지 돌리듯 '10분내' 합금 촉매 제조

유성종 KIST 연구팀, 기존 백금 촉매 대체가능
"차세대 에너지 변환 소재 설계·제조 공정 기술 발전 기여할 수 있을 것"
국내 연구진이 기존 백금 촉매를 대체 할 수 있는 로듐 합금 촉매기술을 개발했다.<사진=KIST 제공>국내 연구진이 기존 백금 촉매를 대체 할 수 있는 로듐 합금 촉매기술을 개발했다.<사진=KIST 제공>

전자레인지와 동일한 원리를 이용해 10분 내 간편히 제조할 수 있는 백금 대체 가능 로듐 합금 촉매기술이 개발됐다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 유성종 연료전지연구센터 박사팀이 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용가능한 고성능 비백금계 로듐기반 나노 촉매를 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구는 성영은 기초과학연구원 나노입자연구단 교수팀과 공동연구를 통해 가능했다.

일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 높은 의존도 문제와 더불어 소재 자체의 안정성에 대한 한계가 제기되어 왔다. 

이에 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 로듐에 대해 연료전지용 촉매 연구를 진행했다. 그 결과 로듐과 주석 합금 나노 입자가 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 

현재까지 연료전지 촉매 분야에서 로듐은 백금의 보조 촉매 수준으로 사용되어 왔으나, 나노미터(nm) 수준에서의 재료의 표면 제어 기술을 사용하게 되면 고안정성 및 고활성 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것이 증명되었다. 연구진은 로듐과 주석의 합금 구조가 표면의 구조 변화로 활성점이 증대되면서 이용률이 상승하여 로듐 입자 대비 10배 이상 성능이 향상되고, 기존 백금 촉매 대비 4배의 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 

특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 적게는 12시간, 많게는 48시간 소요되던 것과 달리, 일반 가정에서 사용하는 전자레인지와 동일한 원리(극초단파, micro wave)를 이용하여 10분 내에 간편히 제조할 수 있는 기술로 개발됐다.

연구진은 신속한 소재 제조 기술 및 공정 단순화 기술 결합이 가능해져 향후 소재 생산 공정에 있어서도 상업적 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망하고 있다.

유성종 박사는 "이번 연구는 연료전지용 촉매 성능 향상 뿐 아니라 기존 연료전지용 촉매에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 새로운 소재의 촉매 설계가 가능해졌다는 점이 핵심"이라며 "향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.
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