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UNIST "백금보다 효율 높은 새 연료전지 촉매 개발"

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UNIST "백금보다 효율 높은 새 연료전지 촉매 개발"

2019.06.23 12:10

 

UNIST 연구팀이 백금보다 효율이 높은 새로운 촉매를 개발했다.왼쪽부터 가오펑 한 (Gao-Feng Han ) UNIST 연구원, 펑 리 UNIST(Feng Li) UNIST 연구원, 백종범 교수,  노혁준 UNIST 석박사통합과정 연구원. UNIST 제공
UNIST 연구팀이 백금보다 효율이 높은 새로운 촉매를 개발했다. 왼쪽부터 가오펑한 연구원, 펑리 연구원, 백종범 교수, 노혁준 석박사통합과정 연구원. UNIST 제공

국내 연구진이 연료전지에서 산소환원반응을 돕는 촉매물질로 값비싼 백금대신 아연과 질소, 탄소를 이용해 저렴한 재료를 개발했다.

 

백종범 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 교수팀은 중국 부윈페이 난징대 교수팀과 함께 아연(Zn)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성화 자리를 찾는 데 성공해 연구결과를 국제학술지 '네이처' 13일자에 발표했다. 활성화 자리를 중심으로 촉매를 설계해 합성하면 연료전지에서 산소환원 효율이 훨씬 높을 전망이다. 

 

연료전지는 수소를 공기 중 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열을 생산한다. 이때 산소가 물로 바뀌는 산소환원반응이 일어나려면 백금 같은 촉매가 필요하다. 문제는 백금이 귀금속으로 쓰일 정도로 비싸고 안정성이 낮다는 점이었다.

 

연구팀은 아연의 전구체(Zn(CH₃COO)₂)와 질소의 전구체(2-메틸이미다졸), 탄소나노튜브를 혼합하고 300도 열을 가해 세 물질로 이뤄진 전이금속 촉매를 합성했다. 이 촉매는 탄소 기반 지지체에 아연 원자 하나가 질소 원자 2개와 결합된 구조다.

 

그리고 엑스선을 쪼였을 때 각 물질마다 전자가 엑스선을 흡수하는 스펙트럼이 달라지는 것을 분석하는 장비인 엑스선 흡광분석기를 이용해 이 촉매에서 산소환원반응이 가장 잘 일어나는 활성화 자리를 찾았다. 그 결과 아연 원자와 질소 원자가 1:2 비율로 결합할 때 활성화가 가장 크다는 것을 밝혀냈다. 또한 실험을 통해 이 촉매가 백금에 비교해 산소 환원 반응도가 더 우수하다는 사실도 입증했다. 

 

백종범 교수는 “지금까지는 기존 촉매에서 성능을 높이는 쪽으로 연구개발이 많이 이뤄졌지만 이번 연구 결과는 촉매의 활성화 자리를 정확하게 알아내 더욱 효율적인 촉매를 개발할 수 있었다"고 말했다. 공동 제1저자인 펑리 UNIST 에너지및화학공학부 박사후연구원은 "이 연구결과를 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것”이라고 기대했다. 

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