[투데이에너지 유정근 기자] 포항가속기연구소(소장 고인수, 이하 PAL)의 안도천 박사팀이 한국과학기술연구원(원장 윤석진, 이하 KIST,)의 유송종 박사팀과 공동연구를 통해 완전히 새로운 구조의 팔라듐 입자를 합성해 신개념 촉매제 개발에 성공했다.
현재 세계는 화석연료의 고갈과 기후변화의 원인인 대기오염을 해결할 방안으로 수소자동차 개발과 투자에 매진하고 있다.
수소연료전지의 주요 소재는 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산시키는 촉매제이다. 현재까지 백금이 주요 촉매제로 사용돼왔으며 최근 해외 각국에서 친환경 에너지사업 지원 등으로 보급량이 증대되면서 백금 가격이 6년간 사상 최대치를 갱신하고 있다.
백금의 원료값이 비싼데도 불구하고 널리 사용되고 있는 이유는 팔라듐, 로듐 등 다른 물질들보다 가격대비 성능이 우월하기 때문이다.
이번 안도천박사팀과 유성종 박사팀이 공동으로 개발한 팔라듐-니켈-질소 나노입자 촉매제 구조연구 결과 발표는 수소자동차의 촉매제분야에 새로운 판도를 개척할 것으로 기대 된다.
매장량에 한계가 있는 백금을 대체할 물질에 대한 연구는 계속 나오고 있지만 백금의 산소환원반응 활성과 내구성을 따라가기에는 어려웠다. 특히 팔라듐은 백금과 같은 주기율표의 같은 그룹에 속하는 금속으로 성질이 비슷해 그동안 많은 연구가 수행됐음에도 불구하고 산성 전해질에 매우 취약한 특성과 가장 높은 성능을 갖는 구조인 초 격자 구조 구현이 어려워 난제를 겪고 있었다.
연구팀은 최적 비율의 팔라듐-니켈 나노입자를 합성하고 특수조건에서의 후처리를 통해 질소와 결합한 팔라듐-니켈-질소 나노입자를 합성하고 PAL PLS-Ⅱ 9B 빔라인의 방사광 구조분석(X-선 고분해능 분말회절 기법)을 통해 분석한 결과 가장 이상적인 결정구조인 초격자 구조를 가짐과 동시에 전해질에 매우 안정된 촉매임을 확인했다.
팔라듐-니켈-질소 나노입자는 상용 팔라듐 촉매보다 약 99배 높은 안정성을 보였으며 내구성 테스트 결과 세계 최고 수준의 산소 환원 반응 촉매 성능을 보였다.
백금값이 치솟는 가운데 새로운 촉매제 개발로 가격경쟁력과 성능 두 마리 토끼를 모두 잡은 셈이다.
연구팀의 관계자는 “이번 연구를 통해 불가능에 가까웠던 결정구조 변이를 이뤄내 촉매 전반에 획기적인 전환점이 될 것”이라고 강조했다.