미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지를 기존의 귀금속 백금 촉매에 비해 1000배 이상 가격이 저렴한 대체 소재로 개발해 눈길을 끌고 있다.
한국과학기술원(KAIST)은 22일 조은애 신소재공학과 교수 연구팀이 포항공대(POSTECH) 한정우 화학공학과 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하는 한편, 해당 소재의 고활성 매커니즘을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.
수소차에 쓰이는 ‘양이온 교환막 연료전지’(PEMFC; proton exchange membrane fuel cell)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다.
특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느리기 때문에 이를 높이기 위해서는 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.
백금은 1돈(3.75g)의 매입시 가격은 6월 기준 17만2000원으로 나타났다.
일반적으로 촉매(觸媒, catalyst)는 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 만드는 물질을 말한다.
화학 산업을 구성하는 요소 중 빼놓을 수 없는 것이 바로 촉매다. 촉매는 화학 반응을 통해 제품을 생산하는 핵심 생산 요소이며, 촉매 기술은 화학 산업 기술의 척도로 여겨진다.
조은애-한정우 교수 공동연구팀은 많은 양이 소요되는 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고, 이 소재의 활성 메커니즘을 규명했다.
이 촉매는 상용제품에 쓰이고 있는 양이온의 PEMFC 뿐만 아니라, 차세대 연료전지인 ‘음이온 교환막 연료전지’(AEMFC; anion exchange membrane fuel cell)에도 적용이 가능하다.
공동연구팀이 개발한 이 소재는 미량의 철 원소가 탄소에 원자 단위로 분산돼 있으며, 그 주변에 질소와 인이 결합돼 있는 구조다.
이번 연구 결과는 KAIST 노정한 신소재공학과 박사과정이 제1저자로, POSTECH 조아라 박사가 공동 제1 저자로 참여했다.
한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행된 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 미국화학회 촉매 분야의 저명한 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스’(ACS Catalysis)의 온라인판에 최근 게재됐다.
조은애 교수는 연구 결과와 관련 “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새 촉매가 개발되더라도 실제로 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많다”라며 “그러나 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용, 모두 성능을 향상시키는 데 성공했다”고 설명했다.
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