KIST(한국과학기술연구원)는 유성종 수소·연료전지연구단 박사팀이 김진수 경희대 교수와 공동 연구를 통해 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체할 수 있는 저가형 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다. 

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하면서도 이산화탄소나 질소산화물(NOx) 등 공해 물질을 배출하지 않고 물만 배출하는 친환경 발전 장치다. 

하지만 연료전지에서 일어나는 산소환원반응은 느린 속도로 일어난다. 이런 이유로 화학 반응 속도를 촉진하는 촉매는 중요한 역할 한다. 주로 백금 계열 촉매가 사용되는데 귀금속인 백금 계열 촉매는 가격이 비싸고 특정 지역에서만 생산되는 한계가 있었다. 

이를 대체하고자 질소가 첨가된 탄소계 촉매에 관한 연구들이 활발하게 진행 중이다. 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 효율을 보이지만 그 원리를 정확히 알지 못하는 문제점이 있어 실제 알칼라인 연료전지를 구동할 수는 없었다. 

KIST 연구진은 백금을 대체할 촉매로 금속유기 골격체(MOF·Metal Organic Frameworks)를 활용했다. 금속이온과 유기 리간드가 결합해 형성한 나노 기공 결정으로 높은 비 표면적을 가지는 재료다.

KIST-경희대 공동연구진은 스프레이 열분해법을 통해 코발트와 질소가 도핑된 MOF계 촉매를 개발했다. 스프레이 열분해법은 연속적인 공정으로 대량 생산이 가능하고 공업용 가습기를 이용해 입자를 만들기 때문에 필요한 구조의 입자를 쉽게 제조할 수 있다. 

연구진은 개발한 촉매를 실증해본 결과 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상됐다. 유성종 박사는 "이번 연구는 열분해법 도입으로 MOF계열 촉매의 성능 향상뿐만 아니라 MOF 재료의 다량 생산의 가능성을 가지고 있다"며 "연료전지 산소환원 반응 촉매, 흡착제, 배터리 분야에 응용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.