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연료전지 촉매 가격 10분의 1로 낮췄다

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2019년 02월 11일 14:01 프린트하기

계층적 다공 나노구조로 이뤄진 연료전지 촉매 표면에 있는 다양한 크기의 기공을 확대한 모습. - 기초과학연구원 제공
계층적 다공 나노구조로 이뤄진 연료전지 촉매 표면에 있는 다양한 크기의 기공을 확대한 모습. - 기초과학연구원 제공

국내 연구진이 값비싼 귀금속을 쓰지 않고 높은 안정성을 가진 연료전지 촉매를 개발해 가격을 기존 대비 10분의 1로 낮추는 데 성공했다. 이 촉매로 만든 연료전지는 1만 회 반복 사용해도 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 구동하는 것으로 나타났다. 차세대 수소자동차 개발의 단초가 될 것으로 기대를 모은다.


기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단의 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 크기가 서로 다른 기공이 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 활용해 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이면서도 안정성은 대폭 높인 새로운 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다.


연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 하지만 현재 연료전지 촉매로 널리 사용되는 백금(Pt)의 가격이 ㎏당 1억 원 수준으로 높은 데다 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 문제가 있었다.


연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 다양한 크기의 기공으로 이뤄진 계층적 다공 나노구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발했다. 이전에도 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려져 있었지만 연구진은 이에 더해 각 기공의 크기가 연료전지의 성능에 미치는 영향까지 규명했다. 기공의 크기를 정교하게 조절해 성능을 향상시킬 수 있는 길이 열린 셈이다.


연구진은 연구 결과를 토대로 지름이 2㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 미만인 마이크로 기공과 2~50㎚ 수준인 메조 기공, 50㎚가 넘는 매크로 기공 등 3종류의 기공으로 촉매 구조를 설계했다. 연구진에 따르면 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높이는 역할을 한다. 매크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성 영역으로 수송시켜 성능을 높이는 효과를 내는 것으로 나타났다.

 

미국화학회 제공
미국화학회 제공

이렇게 만든 촉매는 다양한 연료전지 구동 환경에 구애받지 않고 성능이 일관되게 향상됐고, 1만 회 반복 사용해도 성능 저하 현상이 나타나지 않았다. 차세대 연료전지 촉매 개발은 물론이고 다양한 전기화학 응용장치의 효율을 높이는 데 도움이 될 것으로 전망된다.

 

성 부단장은 “현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성의 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보한 것”이라며 “연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼 추후 학문적 발전뿐만 아니라 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’ 2월 6일자 표지논문으로 게재됐다.


송경은 기자

kyungeun@donga.com

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