[투데이에너지 박설민 기자] 국내 연구진이 차세대 연료전지인 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 백금 촉매를 대체할 저가형 촉매기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와의 공동연구를 통해 알칼라인 연료전지에 사용가능한 저가형촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.
‘알칼라인 연료전지’란 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로써 에너지발생 단계에서 물만 배출하는 친환경 에너지원이다.
연료전지의 전극에서는 전지의 효율을 결정하는 핵심적인 반응인 산소환원반응이 발생하는데 이는 반응속도가 느리고 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 원인이다.
기존 알칼라인 연료전지는 이러한 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 백금계열 촉매는 내구성이 부족하고 가격이 비싸다는 한계를 가진다.
이에 따라 백금 소재를 대체하고자 탄소계 촉매에 대한 연구들이 활발하게 진행 중이다.
현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 산소환원반응 활성을 보이지만 활성화되는 지점을 알 수 없다는 문제점 등 실제 알칼라인 연료전지 구동 시 성능적인 한계를 보이고 있었다.
KIST-충남대 공동연구진은 최근 연구를 통해 고가의 백금계 촉매를 대체 가능한 탄소계 촉매를 개발하고 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는데 성공했다.
코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어쉘(Core Shell)구조의 촉매를 개발해 경제성을 비롯한 성능 및 내구성이 우수한 촉매를 개발했다.
연구진은 코어-쉘 구조를 통해 반응면적을 극대화해 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전극을 형성했고 이를 통해 우수한 연료전지 성능을 구현해냈다.
연구진은 코발트 금속 상에 그래핀 껍질을 형성할 경우 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면 전자구조를 유도한다는 사실을 실험적으로 밝혀냈으며 이를 분석해 그래핀 표면에서 반응이 발생한다는 사실을 규명했다.
또한 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇음에도 불구하고 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 구현할 수 있게 만들어 비백금계 촉매의 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.
유성종 KIST 박사는 “이번 연구는 알칼라인 연료전지의 상용화를 위한 핵심소재 개발연구가 활발한 가운데 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발방향에 대한 가능성을 볼 수 있었다”고 전했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행됐다.