경제성·안정성 다 잡은 수소연료전지 촉매 개발

유성종 KIST 수소·연료전지연구센터 박사 연구팀

유성종 KIST 수소·연료전지연구센터 선임연구원. KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST)은 유성종 수소·연료전지연구센터 책임연구원 연구팀이 초미세 나노튜브 신소재를 활용해 산소 환원반응 성능이 우수하면서도 안정성이 높은 금속 칼코게나이드 나노튜브를 합성했다고 15일 밝혔다. 수소연료전지의 촉매로 활용하면 효율성이 높은 만큼 고가의 백금을 대체할 것으로 기대된다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 최신호에 게재됐다.

연료전지는 수소와 산소의 산화·환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 이 과정에서 반응을 촉진하기 위해 촉매가 활용되는데 주로 산소 환원반응을 촉진하는 촉매가 전체 연료전지의 효율 및 가격을 결정한다. 현재 대부분의 연료전지는 백금 촉매를 주로 사용하지만 가격이 높고 반응 중 촉매가 용출되거나 응집되는 등 내구성이 약하다는 문제가 있었다. 

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 원소로 산소족 원소로 불린다. 칼코겐 원소가 전이금속 원자와 결합하면 금속 칼코게나이드로 불리는 2차원 시트구조의 반도체 물질이 되는데 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다. 그 중에서도 금속성을 띠는 1T상 물질은 우수한 전기전도성 및 촉매 성능을 보이지만 안정성이 낮아 공기 노출, 전기화학 반응 등에 의해 촉매 활성을 잃는 한계가 존재한다. 

연구진은 불안정한 ‘루테늄 칼코게나이드’의 촉매 내구성을 향상시키기 위해 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는 데 성공했다. 이 구조는 높은 표면 곡률을 갖기 때문에 커다란 장력이 유도돼 연료전지 구동 중에도 촉매의 원자 배열이 안정성을 유지하는 것으로 나타났다. 

실제 성능 평가에서 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소 환원반응 촉매로 활용했을 때 기존에 사용된 백금 촉매보다 수소연료전지 성능이 우수했고 내구성도 10배 이상 높은 것으로 확인됐다. 

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 영향을 미친 것으로 분석했다. 다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있을 것으로 내다봤다. 

유성종 KIST 박사는 “지금까지 내구성이 약해 활용에 제한적이었던 다양한 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]