성능은 2배·내구성은 10배… 백금 대체할 연료전지 신소재 개발[Science]

■ Science
- KIST 유성종 연구팀, ‘나노튜브 촉매 기술’ 발표
금속 칼코게나이드 촉매
백금보다 전력생산 우수
재료 가격도 훨씬 저렴해
“친환경 에너지 발전 동력
수소경제 새장 열어”평가

우리나라 연구진이 연료전지(fuel cell)의 촉매로 기존의 백금보다 우수한 산소환원반응과 안정성을 지닌 신소재를 개발하는 데 성공했다. 유성종 키스트(한국과학기술연구원) 책임연구원팀은 1일 수소 경제를 이끌고 나갈 수소연료전지의 촉매로 사용 가능한 ‘초미세 나노튜브 신소재’를 개발했다고 밝혔다. 연료전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 발생 장치이다. 이 같은 산화·환원 과정의 반응 속도를 높이기 위해 사용되는 촉매는 주로 산소 환원 반응 촉진제로서 이 재료가 전체 연료전지의 효율과 가격을 거의 결정한다. 현재 대부분의 연료전지에서 사용되는 백금(Pt) 촉매는 비싼 원가뿐 아니라 반응 중 촉매가 용출·응집되는 등의 내구성이 좋지 않다는 문제가 있었다. 따라서 연료전지 업계에서는 더 낮은 비용으로 더 높은 안정성을 발휘하는 새로운 연료전지 촉매 개발이 긴요한 과제로 여겨져 왔다.

키스트 수소·연료전지연구센터의 유 박사 연구팀은 백금을 대체할 신소재로 초미세 나노튜브를 도입해 우수한 산소환원반응 성능과 높은 안정성을 가진 금속 칼코게나이드 나노튜브를 합성했다. 이를 수소연료전지의 촉매로 적용하면 높은 효율과 안정성을 발휘할 수 있어 고가의 백금을 대체할 것으로 기대된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 키스트 주요 사업과 기후변화대응기술개발사업, 나노 및 소재 기술개발사업으로 수행되었으며, 해당 논문은 재료 과학 분야의 국제학술지인 ‘어드밴스트 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 최신호에 실렸다.

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 원소로서 산소족 원소로 불린다. 이 칼코겐 원소가 전이금속 원자와 결합하면 ‘금속 칼코게나이드’라고 불리는 2차원 시트(sheet) 구조의 반도체 물질이 된다. 금속 칼코게나이드는 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다. 그중에서도 금속성을 띠는 1T(팔면체·octahedral)상 물질은 우수한 전기 전도성 및 산소환원 촉매 성능을 보여주지만 안정성이 낮아 공기 노출과 전기·화학 반응 등에 의해 촉매 활성을 잃는다는 한계가 있었다. 이에 연구진은 준안정상의 ‘루테늄 칼코게나이드’를 새로운 소재로 제안하면서 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 이를 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는 데 성공했다. 나노튜브는 2차원의 나노시트에 비해 높은 표면 곡률을 가져 커다란 장력(당겨지는 힘)을 갖게 된다. 이로 인해 연료전지를 구동할 때 전기·화학반응이 가해져도 장력 때문에 촉매의 원자 배열이 안정적으로 유지될 수 있다.

연구팀은 자체 제작한 루테늄 칼코게나이드 나노튜브로 수소연료전지를 제작했다. 성능 평가 결과, 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소환원반응 촉매로 사용했을 때 기존에 쓰이던 백금 촉매(64.5 A g-1)보다 우수한 수소연료전지 성능(67.4 A g-1)을 나타냈다. 백금 촉매 연료전지보다 2배 더 많은 전력을 생산할 수 있었다. 또 촉매 내구성도 백금보다 약 10배 이상 우수한 것으로 확인됐다. 이와 함께 컴퓨터 시뮬레이션으로 이러한 성능 향상 결과가 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 미치는 영향 때문임도 규명했다. 다양한 나노 구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있음을 성공적으로 제시한 것이다.

유 박사는 “나노튜브 구조체를 이용한다면 기존 0차원 나노입자 또는 2차원 나노시트의 구조로는 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능해질 것”이라며 “지금까지 내구성이 낮아 활용에 제한적이었던 금속 칼코게나이드 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용해 수소 경제를 안착시키고 탄소 중립 기술을 개발하는 데 힘쓰겠다”고 말했다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com