[투데이에너지 홍시현 기자] 국내 연구진이 성능·내구성·가격 모두를 해결한 연료전지 촉매를 개발해 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지연구실의 박구곤 박사 연구진은 브룩헤이븐국가연구소(Brookhaven National Laboratory, 미국), 센트럴 미시건 대학(Central Michigan University, 미국)과의 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어(core)-쉘(shell) 구조 촉매 기술을 개발했다.
연료전지시스템의 핵심부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금, 팔라듐 등 귀금속 가격은 최근 가파른 폭으로 상승하고 있다. 이러한 가운데 연료전지 스택비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 성능향상과 가격 저감은 여전히 해결해야 할 숙제로 남아있다.
연구진은 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다. 특히 2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘 구조 전극촉매 제조가 가능한 방법이다. 연구진은 이와 같은 간단한 초음파 방법을 통해 코어-쉘 구조의 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조 가능하며 현재는 50g 수준 제조 시에도 우수한 재현성으로 확보할 수 있음을 입증했다.
또한 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매제조에 가압 질화(금속의 원자구조 내부에 질소원자를 도입해 금속 안정성을 향상) 공정을 도입했다.
전자현미경, 원소 분석, X-선 광전자 분광법 분석 결과를 바탕으로 질화과정에서 압력이 증가할수록 코발트 코어의 질화 수준이 증가하고 이로 인해 코어-쉘 전극촉매가 지닌 내구성도 비례해서 향상됨을 확인했다. 특히 질화 수준이 가장 높은 코어-쉘 코발트-백금 합금촉매의 경우, 상용 백금 촉매대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다. 이를 통해 팔라듐과 같은 귀금속 코어 물질을 사용하지 않고도 백금 사용량은 극소화하며 성능과 수명을 획기적으로 증대시키는 새로운 방법이 개발된 것이다.
연구팀은 초음파 합성을 통해 한 단계 반응으로 코어-쉘 촉매 제조했고 이들 촉매의 내구성 향상을 위해 가압 질화 공정을 도입해 코어에 위치한 전이금속의 용출 저항성을 증가시킬 수 있음을 확인했다. 또한 질화 처리된 코어-쉘 촉매는 안정적으로 연료전지 촉매 성능 발현이 가능함을 확인했고 질화 수준의 증대에 따라 수명이 크게 증가함을 입증했다.
연구책임자인 박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 및 가압 질화 공정을 통한 이들 촉매의 내구성 기술 확보는 본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것”이라 이번 연구 성과를 강조했다.