지스트, 저가형 차세대 '연료전지 촉매' 개발 
지스트, 저가형 차세대 '연료전지 촉매' 개발 
  • 홍석범 기자
  • 승인 2022.03.04 20:12
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박찬호교수팀... 수소연료전지 단가절감-상용화에 기여할 듯
(왼쪽부터) 한성훈 석사과정생, 김종경 석박통합과정생, 박찬호 교수
한성훈 석사과정생, 김종경 석박통합과정생, 박찬호 교수(왼쪽부터).

음이온 교환막 연료전지 가격을 절감하면서 안정성은 높일 수 있는 비귀금속 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 지스트(광주과학기술원) 에너지융합대학원 박찬호 교수팀은 백금보다 저렴한 비귀금속 산소 환원 반응 촉매에 이종원소를 도입해 촉매 활성을 향상시켰다.

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 도입, 촉매 제조 단가를 크게 높이지 않는 동시에 최적화된 촉매 활성을 확보하고 이중 촉매 활성점을 제안했다.
 
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 후 탄화하는 나노주형법으로 제조했다. 철의 에너지 상태를 구리, 황, 인, 질소로 조절한 산소환원반응 촉매로 백금보다 우수한 성능을 확인했다.

연구팀은 철과 구리의 비율과 이종 원소의 유무 등을 바꾸어 촉매 활성과 구조를 분석했으며 이러한 결과를 미국 조지아공대의 장승순 교수 연구팀의 도움을 받아 계산 화학으로 비귀금속 촉매에 구리를 도입했을 때 촉매 활성이 향상되는 원인을 규명했다.

이종원소 도입에 따라 철의 산화 상태가 변화해 산소 환원 반응 중 반응 중간체의 흡착 상태를 변화시킴으로써 반응 속도가 향상됨을 확인했다. 또한 철이 구리보다 많이 들어가면 쉽게 뭉치고 구리가 더 많이 들어가면 촉매 활성점의 수가 부족해 철과 구리의 비율이 1대1일 때 가장 높은 활성을 지니는 것을 실험으로 입증했다.

 


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