'저가격·고품질' 촉매 개발···수소차 대량 생산길 '활짝'

박찬호 GIST 교수, 기존 백금 촉매 문제점 없앤 '비백금계 촉매' 개발
탄화 후 나노주형법으로 제조···"향후 수소연료전지 상용화에 기여하길"
탄소 입자 크기에 따른 전해질의 접근성을 표현함. 입자 크기가 작을수록 전해질이 쉽게 접근할 수 있어 우수한 산소환원반응 성능을 지님. <사진=GIST 제공>탄소 입자 크기에 따른 전해질의 접근성을 표현함. 입자 크기가 작을수록 전해질이 쉽게 접근할 수 있어 우수한 산소환원반응 성능을 지님. <사진=GIST 제공>

수소자동차에 쓰이는 무한 친환경 에너지인 수소연료전지는 값비싼 촉매가 사용된다는 문제점이 있었다. 이에 국내 연구진이 기존 촉매보다 저렴하고 효율적인 촉매를 개발했다.  

GIST(총장 김기선)는 박찬호 융합기술학제학부 교수 연구팀이 염기성 조건에서 백금보다 저렴하면서 성능이 뛰어난 비백금계 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다. 향후 차량용과 발전소·가정용 등 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 보인다.

수소자동차의 연료로 사용되고 있는 수소연료전지는 주로 백금을 촉매로 사용했으나, 희소성과 높은 가격이 연료전지 적용에 걸림돌이었다. 이에 백금을 대체할 수 있는 고성능·저가 촉매 개발 연구가 증가하고 있다.

연구팀은 촉매 입자 크기만을 조절해 촉매가 전해질에 효과적으로 접근할 수 있도록 했다. 특히 값비싼 백금을 대체해 저렴한 비백금계 촉매를 도입했다.

이러한 연구에서 개발된 비백금계 촉매는 철과 질소 화합물을 다공성 구형 실리카(기공을 다수 보유하고 있는 실리콘 산화물)에 담지된 후 가열, 탄소 다수 함량 물질로 제조되기 위해 열분해됐다. 이후 기공을 갖는 금속산화물을 주형틀로 사용해 기공 안에 제조한 소재의 전구체를 넣고 고체화시킨 후 주형틀만 제거, 그 역상의 다공성 소재를 제조하는 방법인 '나노주형법'으로 제조됐다.

그 결과 철과 질소 결합으로 인해 산소환원반응 촉매로서 백금 대비 우수한 성능을 확인할 수 있었다.

연구팀은 다른 크기의 실리카 주형물질을 사용해 철-질소를 포함한 탄소 촉매 크기를 조절했다. 이를 통해 탄소 입자 크기가 작을수록 탄소 입자와 전해질이 접촉하는 면적이 증가해 접근성이 향상, 산소 환원 반응이 촉진되는 것을 확인했다. 또한 성능 감소를 고려해 본 실험에서 사용한 접근 방식에서의 가장 적절한 입자 크기를 입증했다. 

박찬호 교수는 "본 연구는 음이온 전해질막 수소연료전지에 적용될 수 있는 비백금계 산소 환원 촉매를 개발했다는데 가장 큰 의의가 있다"며 "향후 저렴한 신규 산소환원반응 촉매 개발을 통해 수소연료전지 단가 절감에 도움이 될 것으로 예상하며 광범위한 상용화에 기여하길 바란다"고 말했다.

박찬호 교수가 주도하고 이지연 석사와 김종경 석박사통합과정 학생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 응용화학 분야의 국제 저명 학술지인 'Journal of Energy Chemistry' 온라인에 지난 11일 자로 게재됐다.

(왼쪽부터)박찬호 교수, 이지연 석사. <사진=GIST 제공>(왼쪽부터)박찬호 교수, 이지연 석사. <사진=GIST 제공>


 
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