지스트, 저가형 차세대 연료전지 촉매 개발

[이뉴스투데이 전한울 기자] 지스트(광주과학기술원)는 박찬호 에너지융합대학원 교수 연구팀이 백금보다 저렴한 비귀금속 산소 환원 반응 촉매에 이종원소를 도입해 촉매 활성을 향상시키는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

백금은 높은 활성과 내구성으로 산소 환원 반응 촉매로 선호됐으나, 희소성과 높은 원가로 인해 백금을 대체할 활성이 높으며 단가 대비 효율성이 높은 촉매가 필요하다. 

특히 차세대 저가 연료전지로 개발 중인 음이온 교환막 연료전지는 최근 음이온 교환막의 급격한 발전으로 이에 대응할 수 있는 저가 촉매의 개발이 요구되고 있다.

기존 연구는 비귀금속 촉매에 코발트와 같은 비교적 값비싼 전이금속을 추가해 성능을 개선해왔으나, 이번 연구에서는 값싼 철이 주성분인 비귀금속 촉매에 이종 원소를 도입해 촉매 제조 단가를 크게 높이지 않는 동시에 최적화된 촉매 활성을 확보하고 이중(Dual) 촉매 활성점을 제안했다.

또한 이 촉매를 배병찬 한국에너지기술연구원 박사 연구팀과 협력해 전극으로 구현, 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 뒤 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 바꿔 촉매 활성과 구조를 분석했으며, 이러한 결과를 장승순 미국 조지아공대 교수 연구팀의 도움을 받아 계산 화학으로 비귀금속 촉매에 구리를 도입했을 때 촉매 활성이 향상되는 원인을 규명했다.

박찬호 지스트 교수가 주도하고 김종경 석박사통합과정생, 한성훈 석사과정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 및 지스트 GRI(GIST 연구원) 사업의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 에너지 및 연료 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 지난 2월 7일 온라인 게재됐다.