KAIST, 고성능 비 백금계 연료전지 촉매 개발

고성능 PEMFC를 위한 결함 조절 Fe-N-C 산소환원 촉매 합성 모식도.(KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 고성능 비 백금계 연료전지 촉매를 개발했다.

연료전지의 촉매로 사용되는 백금 촉매는 자원의 희소성으로 인한 높은 가격 때문에 대량 생산 및 전 세계적인 보급에 문제가 있다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 국민대학교 장세근 교수 연구팀, 서강대학교 백서인 교수 연구팀과 비 백금계 촉매 기반 고 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발했다고 7일 밝혔다.

M-N-C계 촉매(전이금속과 질소가 함께 탄소지지체 내부에 도핑된 구조)는 상대적으로 다른 비 백금계 촉매들에 비해 좋은 성능을 가진다고 알려져 백금을 대체하고 기존 연료전지 비용을 줄이기 위한 가장 유력한 후보 물질로 주목받았다.

하지만 이 촉매는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 높은 전력밀도를 구현하는 데는 많은 한계가 있었다.

이에 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.

Fe-N-C 촉매는 염기 용매에서 높은 활성을 보여주며 백금 촉매를 대체할 촉매로, 백금 기반 촉매보다 산소 환원 활성이 높고 내구성이 우수하다.

연구팀은 M-N-C 촉매 중 하나인 Fe-N-C 촉매 나노입자의 활성점 주변의 결함 정도를 조절해 높은 성능의 Fe-N-C 촉매를 합성했다.

이후 탄소 기반의 물질을 특정 양의 이산화탄소(CO2)를 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 촉매 대비 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공하는 것을 확인하며 결함과 활성점의 성능 상관관계를 규명했다.

연구팀이 개발을 한 최적화된 Fe-N-C촉매는 PEMFC 연료전지에서 기존에 개발이 된 Fe-N-C촉매 보다 44% 향상된 높은 전력 밀도를 보였으며 현재 사용하고 있는 백금 촉매를 대체할 수 있음을 보여줬다.

이 촉매는 높은 전기화학적 특성으로 기존의 백금 촉매 대체를 통해 연료전지의 스택 가격 감소와 그에 따른 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

이진우 KAIST 생명화학공학과 교수

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

KAIST 생명화학공학과 이승엽 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국전력 사외공모 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼스(Advanced materials)' 온라인 판에 지난 10월13일 게재됐다.

memory4444444@news1.kr