▲ 코어쉘 촉매의 투과전자현미경 구조 분석

신구조 촉매 통한 내구성 향상, 연료전지 상용화 앞당겨

연료전지의 내구성을 개선하는 신구조 촉매가 선보였다.

한국에너지기술연구원(이기우 원장) 에너지소재연구실 김희연 박사는 한국과학기술원(KAIST), 옥스퍼드 대학(Oxford University) 연구팀과 함께 연료전지의 내구성을 높일 수 있는 새로운 구조의 촉매를 개발하는데 성공했다고 최근 밝혔다. 이번 연구 성과를 담은 논문은 지난 6월 23일, 나노분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘ASC Nano’의 표지를 장식했다.

연료전지는 높은 효율과 큰 출력 밀도를 갖고 있으며, 발전시 온실가스를 배출하지 않는 친환경에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 제조시 백금을 포함한 고가의 귀금속 촉매가 사용되고, 사용 중 촉매의 심각한 내구성 저하가 일어나 상용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

	▲ ASC Nano 6월호 표지

이번에 개발된 촉매는 백금 코어와 다공성 그래핀쉘로 구성된 새로운 구조를 지니고 있다. 이 촉매는 기존 상용 촉매와 유사한 성능에서 150% 이상의 내구성을 나타냈으며, 다공성 그래핀쉘의 영향으로 연료전지의 주된 비활성화 원인인 부식, 탈락, 응집 등의 현상을 크게 개선했다.

또한 김희연 박사팀은 동시기화공정을 최초로 개발해 촉매 합성 공정을 대폭 축소하는데 성공했다. 기존에는 촉매를 제조하기 위해 담지, 건조, 소성, 환원 등 여러 단계의 복잡한 과정을 거쳐야 했으나 동시기화공정을 이용하면 원하는 조성과 형상의 구조체를 한번에 합성할 수 있고, 이 과정에서 전극까지 성형할 수 있다. 별도의 전극 제조 공정이 필요 없이 코어쉘 구조체의 합성과 동시에 이들이 고르게 분산된 연료전지용 전극을 제조할 수 있게 된 것이다.
에기연 김희연 박사는 “이번 연구 결과로 촉매의 내구성이 향상되고 제조 공정이 단일화 돼 연료전지 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라며 “현재 개발된 기술을 연료전지 촉매뿐만 아니라 이차전지 전극소재와 화학반응용 촉매소재에도 응용하기 위한 연구를 진행 중이며, 대량 생산 기술을 개발 중”이라고 밝혔다.

	▲ 동시기화공정 공정도

한편 연구진은 옥스퍼드 대학 Jamie H. Warner 교수 연구팀과 수차보정·투과전자현미경(AC-TEM)을 사용한 원자단위 구조분석을 통해 새로운 촉매의 성능과 내구성 향상의 원인을 입증했으며, 이번 연구에 포함된 기술은 10여건의 국내외 특허를 확보했다고 전했다.