비싸서 못쓴다는 백금 촉매, "수명 늘려 해결"

[아이뉴스24 최상국 기자] 국내 연구진이 연료전지에 사용되는 백금 촉매의 수명을 4배 이상 늘일 수 있는 기술을 개발했다. 한국연구재단은 권오중(인천대), 임태호(숭실대), 성영은(서울대)교수와 현대자동차 공동 연구팀이 연료전지의 핵심요소인 백금촉매의 안정성을 크게 높일 수 있는 탄소 나노캡슐화 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연료전지는 석유 같은 화석연료 대신 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산하려는 친환경 발전시스템이다. 수소의 산화를 돕는 촉매로 백금이 활용되는데 값비싼 귀금속이어서 백금이 아닌 다른 물질로 촉매를 대체하려는 연구가 주목받는다.

반면, 수명을 늘려 백금촉매의 가격경쟁력을 확보하려는 연구도 활발하다. 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 귀금속인 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 높이려는 연구가 주로 이뤄졌다. 하지만 기존 탄소 캡슐화 기술은 촉매 합성, 탄소 전구체 코팅, 열처리 공정 등 여러 단계로 이뤄져 균일성이 떨어지고 대량생산에도 적합하지 않은 것이 단점이었다.

연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합, 대량생산에 용이한 열처리 단일공정을 개발해 약 1나노미터 두께의 탄소껍질로 둘러쌓인 균일한 백금 나노촉매를 제작하는 데 성공했다.

이 물질은 기존 백금촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 것으로 나타났다. 이를 적용한 연료전지는 3만회 구동에도 성능 저하가 없는 높은 내구성을 보였다. 기존 백금촉매를 이용한 연료전지는 수 천회 구동시 급격한 성능저하로 교체가 불가피했다.

연구팀은 이 정도의 안정성은 미국 에너지부(DoE)의 미래 연료전지개발 로드맵에서 2020년 목표 수준으로 제시한 것보다 뛰어난 것이라고 밝혔다.

권오중 교수는 “나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용가능하다”며 “향후 연료전지 촉매 외에도 다양한 전기화학 응용분야에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 후속연구 계획을 밝혔다.

이번 연구는 교육부·한국연구재단 과학기술분야 이공학 개인기초연구지원사업(기본연구), 기초과학연구원(IBS) 및 현대자동차의 미래기술과제의 지원으로 수행됐다. 논문은 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 7월 31일 게재됐다.

◇논문명 : Highly durable carbon-nanofiber-supported Pt-C core-shell cathode catalyst for ultra-low Pt loading proton exchange membrane fuel cells: facile carbon encapsulation

◇저자 : 권오중 교수(교신저자/인천대), 임태호 교수(교신저자/숭실대), 성영은 교수(교신저자/서울대), 모한라주 카루파난(Mohanranju Karupannan) 박사(제1저자/인천대), 김영광 (제1저자/서울대), 곡수진(공저자/인천대), 이은직(공저자/현대자동차), 황지연(공저자/현대자동차), 장지훈(공저자/현대자동차), 조용훈(공저자/강원대)