수소연료전지 성능을 높인 신개념 전극 촉매 대량합성법을 개발한 유종성 대구경북과학기술원 교수(우)와 이하영 석박사 통합 과정생.
수소연료전지 성능을 높인 신개념 전극 촉매 대량합성법을 개발한 유종성 대구경북과학기술원 교수(우)와 이하영 석박사 통합 과정생.

[투데이에너지 조대인 기자] 유종성 대구경북과학기술원(총장 국양, 이하 DGIST) 교수 연구팀이 기존 백금 연료전지 촉매보다 안정성이 더 향상된 신개념 전극 촉매 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

지구 온난화가 심화되면서 수소연료전지가 친환경 차세대 발전기술로 주목받고 있는 가운데 수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금이 전극 촉매로 사용되고 있다.

하지만 연료전지가격의 40% 이상을 차지하는 값비싼 백금 가격과 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않은 실정이다.

이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위해 각국에서 다양한 연구를 진행 중이다.

그 중 전이금속인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰이고 있지만 전이금속 특성 상 높은 전압과 산성 상태에 취약해서 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

유종성 DGIST 교수 연구팀은 지각 내 존재량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목하고 백금과 결합하면 높은 안정성을 가진 합금 촉매를 제작이  가능할 것이라고 판단했다.

마그네슘의 쉽게 산화되는 특성 때문에 백금과의 합성이 어려운 점을 해결하기 위해 마그네슘 금속을 전구체)로 사용하는 합성법을 고안했다.

이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체)와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후 수소와 아르곤 혼합가스에서 650도의 고온 열처리를 진행했다.

이 때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성됐다.
유종성 교수 연구팀은 완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행한 결과 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43 A/mg으로, 기존의 백금 촉매 활성도인 0.16 A/mg보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다.

또한 미국 에너지부(Department of Energy) 기준의 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다.

유종성  DGIST 교수는 “이번 연구는 값 비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선한 값진 성과”라며 “촉매의 합성법 또한 간단해 수소 연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것이며 후속 연구를 통해 안정적인 친환경 에너지 생산 환경을 조성하는데 앞장서겠다”고 포부를 밝혔다.

이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 임마뉴엘 밧차 테테 석사 졸업생과 이하영 석박사통합과정생 등이 참여했고 전기화학촉매 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 지난 4월15일자 온라인판에 게재된 바 있다.

백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프.
백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프.

Key Word
1) 전이금속(轉移金屬, Transition metal)이란 주기율표의 3족에서 12족 원소를 포함하는 금속으로 모든 금속 원소가 가지고 있는 일반적인 성질을 가지며 전성과 가공성이 좋아 원하는 여러 가지 형태로 제작 가능하다. 또 서로 잘 섞이는 성질 때문에 다양한 합금을 만든다.

2) 전구체(Precursor)란 어떤 화학반응에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정물질이 되기 전 단계의 물질을 말한다.

3) 담지체는 촉매의 반응성을 향상시키기 위해 촉매를 담아 고정해 주는 역할을 하는 물질을 말한다.

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