▲ 스프레이 열분해 공정 (Ultrasonic spray pyrolysis) 모식도(a)와 개발된 중공 입자 구조 촉매의 합성 과정

국내 연구진이 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지의 상용화에 기여할 저가형 촉매를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 경희대학교 김진수 교수와의 공동연구를 통해, 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체할 수 있는 저가형 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.

알칼라인 연료전지는 알칼리 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환장치로써, 에너지 발생 단계에서 물밖에 배출하지 않는 친환경 에너지원으로 조명받고 있다.

연료전지에서 일어나는 반응 산소환원반응이 느린 속도로 일어나기 때문에 이 속도를 빠르게 하는 역할을 하는 촉매는 연료전지의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 핵심이다.

그간 효율을 올리기 위해서 귀금속인 백금계열 촉매가 주로 사용됐는데 가격이 비싸고 특정 지역에서만 생산되는 한계를 갖고 있었다. 이를 대체하기 위해 금속이나 질소가 첨가된 탄소계 촉매에 관한 연구들이 활발하게 진행 중이지만 그 원리를 정확히 알지 못한다는 문제점 등이 있어 실제 알칼라인 연료전지를 구동할 수는 없었다.

이에 KIST 연구진은 낮은 생산 수율과 후처리 공정 문제 등 상용화에 어려움을 겪고 있는 금속유기골격체(Metal Organic Frameworks)를 활용했다.

KIST-경희대학교 공동연구진은 스프레이 열분해법(Spray pyrolisys method)을 통해 코발트 및 질소가 도핑된 MOF계 촉매를 개발했다. 스프레이 열분해법은 연속적인 공정으로 대량생산이 가능하고 공업용 가습기를 이용해 입자를 만들기 때문에, 필요한 구조의 입자를 쉽게 제조할 수 있다. 개발된 촉매는 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상됐다.

KIST 유성종 박사는 “본 연구는 스프레이 열분해법의 도입으로 MOF계열 촉매의 성능 향상뿐만 아니라 MOF재료의 대량생산의 가능성을 가지고 있어 연료전지 산소환원반응 촉매 분야 및 흡착제, 배터리 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 결정기능화공정기술센터(ERC)사업으로 수행됐으며, 경희대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재됐다.