▲ 철,구리,질소,황 및 인을 포함하는 비귀금속 촉매의 구조

음이온 교환막 연료전지의 가격은 줄이고 안정성은 높일 수 있는 비귀금속 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 에너지융합대학원 박찬호 교수 연구팀은 백금보다 저렴한 비귀금속 산소 환원 반응촉매에 이종원소를 도입, 촉매 활성을 향상시켰다고 3일 밝혔다.

백금은 높은 활성과 내구성으로 산소 환원 반응 촉매로 선호됐으나 희소성과 높은 원가로 백금을 대체할 활성과 단가 효율성이 높은 촉매가 필요했다. 차세대로 개발 중인 음이온 교환막 연료전지는 최근 음이온 교환막의 급격한 발전으로 이에 대응하는 저가 촉매의 개발이 요구되고 있다.

연구팀은 값싼 철이 주성분인 비귀금속 촉매에 이종 원소를 도입, 단가를 크게 높이지 않으며 최적화된 촉매 활성을 확보하고 이중 촉매 활성점을 제안했다. 또 한국에너지기술연구원 배병찬 박사 연구팀과 협력, 전극으로 구현해 단위전지 성능을 평가했다.

연구팀은 반쪽 전지 시험 결과, 염기성 조건에서 백금보다 성능이 뛰어난 비귀금속 촉매를 제시했다. 본 촉매는 철, 구리, 황, 인, 질소 전구체를 규칙적 중형 다공성 실리카에 담지한 후 탄화하는 나노주형법으로 제조했다. 철의 에너지 상태를 구리, 황, 인 및 질소로 조절한 산소환원반응 촉매로 백금 대비 우수한 성능을 나타냄을 확인했다.

연구팀은 철과 구리의 비율과 이종 원소의 유무 등을 바꾸어 촉매 활성과 구조를 분석하였으며 결과를 미국 조지아공대의 장승순 교수 연구팀의 도움을 받아 계산 화학으로 비귀금속 촉매에 구리를 도입하였을 때 촉매 활성이 향상되는 원인을 규명했다.

이종 원소 도입에 따라 철의 산화 상태가 변화하여 산소 환원 반응 중 반응 중간체의 흡착 상태를 변화시킴으로써 반응 속도가 향상됨을 확인했다. 또 철이 구리보다 많이 들어가면 쉽게 뭉치고 구리가 더 많이 들어가면 촉매 활성점의 수가 부족하여 철과 구리의 비율이 1:1일 때 가장 높은 활성을 지니는 것을 실험으로 입증했다.

박찬호 교수는 “차세대 음이온 교환막 연료전지에 적용되는 비귀금속 촉매를 개발했다는데 의의가 있다”며 “향후 촉매 개발의 방향성을 제시했을뿐 아니라, 전극 최적화 시 음이온 교환막 연료전지 가격 절감에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 지스트 박찬호 교수가 주도하고 김종경석박사통합과정생과 한성훈 석사과정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 및 지스트 GRI(GIST 연구원) 사업 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 및 연료 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 2월 7일 온라인 게재됐다.