백금촉매의 나노캡슐화로 백금 내구성 4배 향상
[기계신문] 국내 연구진이 수소전기차의 심장이라는 연료전지의 수명을 늘일 단일 열처리 공정을 개발했다. 연료전지의 수명을 좌우하는 비싼 백금 촉매를 탄소껍질로 둘러싸 수명을 4배 이상 늘인 것이다.
인천대 권오중, 숭실대 임태호, 서울대 성영은 교수 공동 연구팀은 균일한 촉매를 제작할 수 있는 간단한 탄소 나노캡슐화 기술을 개발하고, 이를 이용해 우수한 안정성을 나타내는 연료전지 백금촉매를 제작했다.
연료전지(fuel cell)는 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전력을 생산하는 장치로서, 연료전지의 높은 에너지 변환 효율, 높은 에너지 밀도, 친환경성 등의 요소로 인해 차세대 청정에너지 시스템으로 많은 주목을 받고 있다.
이러한 장점에도 불구하고 연료전지 촉매로 사용되는 백금의 높은 가격과 만족스럽지 않은 내구성 때문에 대중에의 연료전지 보급이 늦어지고 있다.
연료전지의 보급화를 위해서는 촉매의 가격을 낮춤과 동시에 내구성을 획기적으로 개선해야 한다. 많은 과학자들이 다양한 해법을 제시하고 있으며, 촉매를 화학적 안정성이 높은 다공성 물질로 둘러싸 보호하는 캡슐화 기술도 그 중 하나이다.
이 기술의 핵심은 다공성 물질이 촉매작용을 촉진하면서도 촉매의 내구성을 저하시키는 촉매분해과정을 차단할 수 있게 설계하는 것이다.
질소 원자를 포함한 탄소층은 이에 적합한 물질로서 최근 가장 활발히 연구되고 있다. 하지만 일반적인 탄소 캡슐화 기술은 여러 단계의 화학공정으로 이루어져 있고, 단계마다 매우 정교한 작업을 필요로 한다. 따라서 촉매의 균일성이 떨어질 뿐만 아니라, 촉매의 가격을 상승시킬 수 있어 대량생산에 적합하지 않다.
연구팀은 백금이온과 탄소 껍질의 원료가 되는 유기물(아닐린)의 금속 착물(금속 이온과 착화제가 결합한 이온 상태의 물질)을 고온에서 열처리함으로써 백금이온의 열환원과 유기물의 탄화를 동시에 진행하여 탄소 껍질을 가진 백금 나노입자를 합성하였다.
합성된 백금촉매는 고온에서 열처리했음에도 탄소 껍질에 의해 수 나노미터의 크기를 가질 뿐 아니라, 백금이온과 탄소 원자의 비율이 일정한 금속 착물을 이용함으로써 백금촉매가 균일한 두께로 탄소 껍질을 가질 수 있도록 하였다.
그 결과, 연구팀은 기존 백금촉매보다 촉매작용은 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 촉매를 제작할 수 있었다. 이를 적용한 연료전지는 30000회 이상의 내구성 측정 구동에도 성능의 저하 없이 높은 성능을 유지하였다.
특히, 개발한 촉매의 안정성은 미국 에너지부(Department of Energy)에서 지정한 연료전지 촉매의 안정성 목표(2020년)를 웃도는 것으로, 연구팀의 탄소 나노 캡슐화 기술이 세계적인 수준임을 증명하였다.
인천대 권오중 교수는 “나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용 가능하다”며 “향후 연료전지 촉매 외에도 다양한 전기화학 응용분야에 이 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 교육부·한국연구재단 과학기술분야 이공학 개인기초연구지원사업(기본연구), 기초과학연구원(IBS) 및 현대자동차의 미래기술과제의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 7월 31일 게재되었다.