연료전지 성능 2배 높이는 나노 지능형 촉매 기술 나왔다

고효율 고체산화물 연료전지 성능 2배 높여
자가성장 가능한 나노 지능형 촉매 개발
최대출력밀도 ㎠당 1.7W… 200시간 동안 안정성 유지

명재하 인천대 신소재공학과 교수 연구팀이 개발한 금속 나노 촉매 기술 기반 차세대 고체산화물 연료전지 모식도. /한국연구재단

국내 연구진이 효율이 높은 고체산화물 연료전지의 성능을 2배 이상 높을 수 있는 기술을 개발했다. 나노 촉매 기술을 활용해 연료전지 효율을 높인 이 기술은 수전해전지와 차세대이차전지에도 폭넓게 적용될 수 있다.

한국연구재단은 명재하 인천대 신소재공학과 교수 연구팀이 금속 나노 촉매 기술을 활용해 차세대 고체산화물 연료전지를 개발했다고 16일 밝혔다.

연료전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응 과정에서 전력과 열을 생산하는 배터리다. 이중 고체산화물 연료전지는 현존 연료전지 중 효율이 가장 높다. 연료전지의 효율을 극대화하기 위해선 촉매 반응성을 높여야 하는데, 용출(환원 시 산화물의 상분리를 제어해 금속 나노입자를 산화물 표면에 고르게 성장시키는 기술) 나노입자의 크기와 수, 형상을 제어하는 기술이 필요하다.

연구팀은 화학반응을 돕는 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 단위의 나노 촉매 기술을 이용해 연료전지 효율을 높였다. 촉매는 작을수록 효율이 크지만, 나노입자는 새로운 성질을 나타내는 특성이 있어 크기 조절과 응용 등 나노 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 나노 크기 금속 입자를 산화물 표면 위에 고르게 용출시키기 위해 지능형 촉매를 개발했다. 지능형 촉매는 자가성장 기술로 소량의 금속이 균일하게 성장해 반응 활성 면적을 극대화할 수 있도록 돕는다. 또 특유의 ‘소켓 구조’로 구성돼 높은 온도에서도 뛰어난 내구성을 가진다.

연구팀은 지능형 촉매와 용출 소재의 내부구조를 분석해 촉매 성장을 제어할 수 있는 모델을 개발했다. 실험결과를 바탕으로 연료전지 전극 소재를 개발하고 고체산화물 연료전지를 만들었다는 게 연구팀의 설명이다.

새로 개발한 연료전지는 비촉매 연료전지보다 2배 이상 높은 ㎠당 1.7W의 최대출력밀도를 보였고, 200시간 이상 장기내구성 평가에서 안정적인 성능을 유지했다. 연구팀은 연료전지의 성능을 낮추는 느린 이온확산도 전기화학적 스위칭 기법으로 극복했다고 밝혔다. 이온확산은 낮은 밀도와 에너지를 가진 이온이 균일하지 않게 존재할 때, 평형 상태를 이루기 위해 이온이 확산하는 현상으로 전지 효율을 높이기 위해 빠르게 진행돼야 한다.

명재하 교수는 “나노 촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있어 연료전지뿐 아니라 물을 이용해 수소를 생산하는 수전해전지와 차세대이차전지, 개질촉매 등 다양한 에너지 변환기술에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘기초연구사업(우수신진연구)’의 지원을 받았다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 올해 1월 24일 게재됐다.

참고 자료

Advanced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202208984

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