수소차 연료전지 촉매 1000배 이상 저렴해진다…백금 대체 촉매 개발

KAIST

미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지를 사용해 만든 자동차를 표현한 그림. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 수소 연료전지 촉매물질을 기존 귀금속인 백금 소재 대비 1000배 이상 저렴한 소재로 개발하는 데 성공했다. 

KAIST는 조은애 신소재공학과 교수와 한정우 포스텍 화학공학과 교수 공동 연구팀이 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 이 소재의 고활성 메커니즘 규명에도 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스’에 지난달 3일 게재됐다.

수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.

연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고 활성 메커니즘을 규명했다. 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC) 뿐만 아니라 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에도 적용이 가능하다. 새롭게 개발한 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다. 

조은애 교수는 “기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”고 설명했다. 이어 “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높이는 데 성공했다”라고 말했다. 

철-질소-탄소-인 원자분산촉매의 투과 현미경 이미지 (위)와 고활성 메커니즘(아래). KAIST 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]