고체산화물 연료전지용 고성능 촉매 개발

UNIST연구진

김건태 UNIST 에너지화학공학과 교수팀이 개발한 고체산화물 연료전지용 고성능 복합 용출 촉매를 전자현미경으로 관찰한 사진. 분석 결과 완벽한 상전이가 이뤄져 철 금속을 많이 용출시키는 데 성공했다. UNIST 제공

국내 연구진이 고체산화물 연료전지의 핵심인 고성능 촉매를 개발했다. 고체산화물 연료전지는 생산이 어려운 수소 대신 탄화수소를 바로 사용할 수 있는데다, 발생된 폐열도 재활용할 수 있다. 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 그 성능을 결정하기 때문에 고성능 촉매를 개발하는 것이 관건이다.

UNIST는 김건태 에너지화학공학과 교수팀이 한정우 POSTECH 화학공학과 교수팀, 최시혁 금오공대 기계공학과 교수팀과 함께 고체산화물 연료전지를 위한 고성능 복합 용출 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다. 용출은 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상이다. 표면으로 올라온 철 나노입자는 촉매 성능을 높이고, 촉매끼리 뭉치는 문제도 막는 역할을 한다. 

김 교수팀은 기존 용출 촉매에 비해 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다. 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소간 비율을 계산 모델링으로 알아낸 덕분이다. 최적화된 원소 종류와 그 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화(상전이)가 잘 일어나는데, 이때 철 입자가 촉매표면으로 잘 용출되는 유리한 환경이 된다. 
   
보통 망간이나 철 금속으로 만든 페로브스카이트 결정구조로 촉매를 만들었을 때 용출이 가능하다. 하지만 철 금속계 촉매는 망간 금속계 촉매에 비해 철 입자를 용출시키기가 어렵다는 한계가 있었다. 김현민 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "일반 페로브스카이트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태로 바꿔 완벽한 상전이를 시키코 철 금속을 많이 용출시키는 데 성공했다"며 "기존의 한계점을 극복하는 새로운 전략을 찾은 셈"이라고 설명했다. 

연구팀이 새로 개발한 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 넣은 결과 수소 연료를 넣었을 때 700도에서 200시간 동안 전력을 약 0.5W·cm-2만큼 안정하게 생산했다. 또 연료전지에서 전기를 만드는 반응을 거꾸로 돌려 수소와 일산화탄소를 만드는 과정에도 이 촉매를 사용해봤다. 그 결과 시간당 수소는 30mL·cm-2, 일산화탄소는 650mL·cm-2만큼씩 만들었다. 김건태 교수는 “이번에 개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다. 이 연구 결과는 지난달 24일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인 판에 실렸다.

[이정아 기자 zzunga@donga.com]