수소차 연료전지 촉매 1000배 이상 저렴해진다

카이스트 조은애, 포스텍 한정우 공동연구팀
'귀금속 백금' 대체할 촉매 개발

미래 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지를 기존 귀금속 백금 소재보다 1000배 이상 저렴한 소재가 개발됐다.

ACS 카탈리시스 논문 표지 그림

철-질소-탄소-인 원자분산촉매의 투과 현미경 이미지와 고활성 메커니즘. KAIST 제공

KAIST 조은애 교수

KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀과 POSTECH 화학공학과 한정우 교수 연구팀은 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하고 이 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.

공동연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고, 활성 메커니즘을 규명했다. 이 촉매는 상용제품에 적용되는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC) 뿐만 아니라 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지에도 적용이 가능하다는 점에서 더욱 의미가 있다고 할 수 있다. 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”며 “연료전지

POSTECH 한정우 교수

는 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 높이는데 성공했다”라고 말했다.

KAIST 신소재공학과 노정한 박사과정이 제1 저자로, POSTECH 조아라 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국화학회 촉매 분야 저명 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 지난달 3일자 온라인판에 출판됐다. 또한 그 우수성을 인정받아 해당 학술지 보조 표지 논문(Supplementary front cover)으로 게재됐다. 이번 연구는 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 이뤄졌다.