▲ 탄소다공체 위 백금과 철 합금 촉매(좌)와 도파민을 도포한 모습(중,우).

국내연구진이 기존보다 성능이 10배 향상된 수소연료전지 촉매 기술 개발로 수소연료전지자동차에 획기적인 도움을 줄수 있을것으로 보인다.

기초과학연구원(IBS) (단장 현택환)나노입자 연구단이 백금 함량은 절반으로 줄이고 발전 효율성과 안전성은 동시에 높인 수소연료전지 촉매를 개발했다고 지난 7일 밝혔다.

현재 우리 생활 깊숙이 들어와 있는 수소연료전지는 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다.

연료원인 수소가 연료극에서 전자를 내놓게 되는데, 이때 전류가 발생한다. 그리고 전류를 방출한 수소(정확히는 수소이온)는 환원극에서 공기 중 산소와 반응하는데 반응의 부산물로는 순수한 물만 생성되기 때문에 친환경적이다.

이와 같이 이상적인 동력원인 수소연료전지는 백금 촉매가 발전효율을 결정짓는 핵심소재이다. 하지만 고열의 구동환경에서 쉽게 변형되어, 본연의 기능을 상실하는 치명적인 문제가 있다. 또한 고가인 백금은 전지의 제작단가를 높이기 때문에, 백금 함량은 낮추고 발전효율은 높이는 연구가 세계적으로 진행되고 있다.

연구를 주도한 성영은 IBS그룹 리더(서울대학교 화학생물공학부 교수)는 백금과 철 나노입자를 이용해 합금을 만드는 방법으로, 백금의 구성 비율을 기존 대비 50% 낮추었다. 또한 얇은 탄소원자막을 입혀, 고열에서 백금과 철 나노입자의 팽창을 억제하였다. 이와 동시에 촉매들끼리 뭉쳐지는 현상을 원천 차단했다.

그 결과 현재 상용 중인 수소연료전지의 10배가량인 1.6 mA/g의 성능을 보였으며, 제품 수명에 가까운 10,000회의 가속화 구동실험에도 성능저하가 없었다. 실제 상용화 단계의 연료전지 시스템에서는 연속 100시간 구동에 단 3.4%의 성능 저하만을 보였다.

이번 연구는 저비용, 고성능, 고안정성의 촉매 특성을 모두 만족 시키는 획기적인 결과를 가져왔다. 이로써 수소연료전지 차량의 보급 확대와 향후 연료전지 기반 사업의 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대를 모으고 있다.

한편, 수소연료전지의 나노합금촉매 연구성과를 12월 4일 미국화학회지(JACS) 온라인판에 게재하였다.