DGIST 유종성 교수팀, 수소연료전지 신개념 전극 촉매 대량합성법 개발

DGIST 유종성 교수팀이 수소연료전지의 성능 높인 신개념 전극 촉매 대량합성법을 개발했다. DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 이하영 석박사통합과정생이 포즈를 취하고 있다.

DGIST(총장 국양)는 에너지공학전공 유종성 교수 연구팀이 기존의 백금 연료전지 촉매보다 안정성이 더욱 향상된 신개념 전극 촉매 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

화석에너지의 과도한 사용으로 지구 온난화 문제가 심화되면서 수소연료전지가 친환경 차세대 발전기술로 주목받고 있다. 수소연료전지는 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금이 전극 촉매로 사용된다. 하지만 연료전지가격의 40% 이상을 차지하는 백금의 비싼 가격과 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않은 실정이다.

이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위해 각국에서 다양한 연구를 진행 중이다. 그 중 전이금속인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰인다. 하지만 전이금속의 특성 상 높은 전압과 산성 상태에 취약해서 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

백금-마그네슘 합금 촉매의 화학적 조성(組成) 분석 사진.

DGIST 유종성 교수 연구팀은 지각 내 존재량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목했고, 백금과 결합하면 높은 안정성을 가진 합금 촉매가 제작 가능할 것이라 판단했다. 이에 연구팀은 마그네슘의 쉽게 산화되는 특성 때문에 백금과의 합성이 어려운 점을 해결하고자 마그네슘 금속을 전구체로 사용하는 합성법을 고안했다. 이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후, 수소/아르곤 혼합가스에서 650℃의 고온 열처리를 진행했다. 이 때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성되었다.

백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프.

연구팀은 완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행해 보았는데, 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43 A/mg으로, 기존의 백금 촉매 활성도인 0.16 A/mg보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다. 또한 미국 에너지부(Department of Energy) 기준의 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다.

DGIST 유종성 교수는 "이번 연구는 값 비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선한 값진 성과다. 촉매의 합성법 또한 간단해 수소 연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것이며, 후속 연구를 통해 안정적인 친환경 에너지 생산 환경을 조성하는데 앞장서겠다"고 포부를 밝혔다.

이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 임마뉴엘 밧차 테테 석사졸업생과 이하영 석박사통합과정생 등이 참여했고, 전기화학촉매 분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 4월 15일자 온라인판에 게재됐다.

박종문기자 kpjm@yeongnam.com

?전이금속(轉移金屬, Transition metal)= 주기율표의 3족에서 12족 원소를 포함하는 금속. 모든 금속 원소가 가지고 있는 일반적인 성질을 가지며 전성과 가공성이 좋아 원하는 여러 가지 형태로 제작 가능하다. 서로 잘 섞이는 성질 때문에 다양한 합금을 만든다.

?전구체(Precursor)= 어떤 화학반응에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정물질이 되기 전 단계의 물질.

?담지체= 촉매의 반응성을 향상시키기 위해 촉매를 담아 고정해 주는 역할을 하는 물질.

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