“값비싼 백금 촉매 대체 성공”…연료전지 성능 44% 높였다

- KAIST 생명화학공학과 이진우 교수팀, 비 백금계 Fe-N-C 촉매 개발

고성능 PEMFC를 위한 결함 조절 Fe-N-C 산소환원 촉매 합성 모식도.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 온실가스 배출이 없는 친환경 연료전지 상용화를 앞당길 것으로 기대되는 핵심 원천기술 개발에 성공했다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 이진우(사진) 교수 연구팀이 국민대학교 장세근 교수, 서강대학교 백서인 교수와 공동연구를 통해 비백금계 촉매 기반 고 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)를 개발했다고 7일 밝혔다.

연료전지는 부산물로 물 만을 배출하는 친환경적인 에너지 변환 장치로, 다양한 연료전지 중 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 수송용 및 발전용 연료전지로 상용화가 진행중이다. 다만 연료전지의 촉매로 사용되는 백금 촉매는 자원의 희소성으로 인한 높은 가격 때문에 대량 생산 및 전 세계적인 보급에 문제점을 갖고 있었다.

상대적으로 다른 비 백금계 촉매들에 비해 좋은 성능을 가진다고 알려져 백금을 대체하고 기존 연료전지 비용을 줄이기 위한 가장 유력한 후보 물질로 주목받아 온 철, 질소, 탄소(M-N-C)계 촉매는 EMFC 연료전지에서 높은 전력밀도를 구현하는 데는 많은 한계가 있었다.

이진우 교수 연구팀은 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 비 백금계 Fe-N-C 촉매의 높은 성능을 구현해 매우 뛰어난 가격 경쟁력과 높은 전력밀도의 연료전지 성능을 달성했다.

연구팀은 M-N-C 촉매 중 하나인 Fe(철)-N-C 촉매 나노입자의 활성점 주변의 결함 정도를 조절하여 높은 성능의 Fe-N-C 촉매를 합성했다. 탄소 기반의 물질을 특정 양의 이산화탄소를 흘려주면서 열처리를 진행하는 이산화탄소 활성화 방법을 통해 탄소 기반 촉매 내부의 결함 정도를 미세 조정했고 그에 따른 최적화된 촉매가 활성화되는 것을 확인했다.

연구팀은 결과적으로 적절한 결함을 가질 때 철 단일원자 활성점의 전자구조가 최적화되면서 결함을 만들지 않은 기존 Fe-N-C 촉매에 비해 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공하는 것을 확인해 결함과 활성점의 성능 상관관계에 대해 규명했다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수.[KAIST 제공]

개발한 Fe-N-C촉매는 PEMFC 연료전지에서 기존에 개발이 된 Fe-N-C촉매보다 44% 향상된 높은 전력 밀도를 보였으며 현재 사용이 되고 있는 백금 촉매를 대체를 할 수 있음을 입증했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced materials)’ 10월 13일 온라인 게재됐다.

이진우 교수는 “비 백금계 Fe-N-C 촉매의 결함과 성능의 관계를 밝히고 결함 조절을 통해서 백금을 전혀 사용하지 않고 높은 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발한 것은 큰 의미가 있다”며 “개발된 촉매 및 합성 방법은 향후 다양한 종류의 연료전지에서 귀금속인 백금을 대체하여 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

nbgkoo@heraldcorp.com