백금 대체할 고성능 연료전지 촉매 나왔다

이진우 KAIST 생명화학공학과 연구팀이 이번에 개발한 기술은 비백금계 Fe-N-C 촉매의 높은 성능을 구현해 뛰어난 가격 경쟁력과 높은 전력밀도의 연료전지 성능을 달성했다. /KAIST

값비싼 백금을 써야 했던 연료전지를 저렴한 비용으로 효율적으로 생산할 수 있는 방법이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 국민대학교 장세근 교수 연구팀, 서강대학교 백서인 교수 연구팀과 비(非)백금계 촉매 기반 고(高)전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼스 (Advanced materials)’에 지난달 13일 온라인 게재됐다.

연료전지는 부산물로 물 만을 배출하는 친환경적인 에너지 변환 장치인데, 다양한 연료전지 중에서도 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)가 현재 수송용·발전용 연료전지로 상용화 개발이 진행 중이다. 다만 연료전지의 촉매로 사용되는 백금 촉매가 백금의 희소성으로 인해 가격이 비싸 대량 생산이나 보급에 문제가 있었다.

이에 M-N-C계 촉매가 백금을 대체할 수 있는 비백금계 촉매 중에서도 가장 유력한 후보로 꼽히고 있으나, 이 역시 PEMFC 연료전지에서 높은 전력밀도를 구현하는 데는 많은 한계가 있었다. M-N-C계란 전이금속과 질소가 함께 탄소지지체 내부에 도핑된 구조를 뜻한다.

이진우 연구팀이 이번에 개발한 기술은 비백금계 Fe-N-C 촉매의 높은 성능을 구현해 뛰어난 가격 경쟁력과 높은 전력밀도의 연료전지 성능을 달성했다. Fe-N-C 촉매는 염기 용매에서 높은 활성을 보여주며 백금 촉매를 대체할 촉매로, 백금계 촉매보다 산소 환원 활성이 높고 내구성이 우수하다.

연구팀은 M-N-C 촉매 중 하나인 Fe-N-C 촉매 나노입자의 활성점 주변의 결함 정도를 조절하여 높은 성능의 Fe-N-C 촉매를 합성했다. 구체적으로 탄소 기반의 물질을 특정 양의 이산화탄소(CO2)를 흘려주면서 열처리를 진행하는 이산화탄소 활성화 방법을 통해 탄소 기반 촉매 내부의 결함 정도를 미세 조정했다. 그에 따라 최적화된 촉매가 활성화되는 것을 확인했다.

이를 통해 연구팀은 적절한 결함을 가질 때 철 단일원자 활성점의 전자구조가 최적화되면서 결함을 만들지 않은 기존 Fe-N-C 촉매에 비해 매우 우수한 전기화학적 성능을 제공하는 것을 확인했다. 이는 결함과 활성점의 성능 상관관계에 대해 규명한 것으로 평가된다.

연구팀이 개발을 한 최적화된 Fe-N-C촉매는 PEMFC 연료전지에서 기존에 개발이 된 Fe-N-C촉매보다 44% 향상된 높은 전력 밀도를 보였으며, 현재 사용이 되고 있는 백금 촉매를 대체할 수 있음을 함축한다.

연구팀이 개발한 비백금계 Fe-N-C촉매는 높은 전기화학적 특성으로 기존의 백금 촉매 대체를 통해 연료전지의 스택 가격 감소와 그에 따른 상용화에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

이진우 교수는 “비백금계 Fe-N-C 촉매의 결함과 성능의 관계를 밝히고 결함 조절을 통해서 백금을 전혀 사용하지 않고 높은 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지를 개발한 것은 큰 의미가 있으며, 개발된 촉매와 합성 방법은 향후 다양한 종류의 연료전지에서 귀금속인 백금을 대체하여 적용할 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 말했다.

참고 자료

Advanced materials(2023), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202302666

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