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최적의 개미산 연료전지 개발

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최적의 개미산 연료전지 개발

2015.11.05 18:00

이재영 광주과학기술원(GIST) 환경공학부 교수(왼쪽)와 전명훈 연구원(오른쪽). - GIST 제공
이재영 광주과학기술원(GIST) 환경공학부 교수(왼쪽)와 전명훈 연구원(오른쪽). - GIST 제공

국내 연구진이 액체 연료전지의 효율을 높일 수 있는 최적의 조건을 찾아냈다.
 

이재영 광주과학기술원(GIST) 환경공학부 교수팀은 포름산(COOH) 연료전지의 효율을 높일 수 있는 최적의 수소이온농도지수(pH) 조건을 찾았다고 5일 밝혔다.

 

포름산은 가장 간단한 구조의 카르복실산으로 개미의 독샘에서 발견됐다는 데서 ‘개미산’으로도 불린다.

 

개미산 연료전지는 이산화탄소와 수소이온, 전자를 발생하는 개미산의 산화반응을 이용해 전기를 생산하는 액체 연료전지다.

 

산화시키는 데 필요한 전력이 수소보다 0.25V 낮아 이론적으로는 수소 연료전지보다 효율이 높지만 실제로는 개미산 연료전지에서 얻을 수 있는 전압의 출력 값이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

 

이산화탄소 재자원화를 통해 얻은 개미산(HCOOH)의 산화반응을 활용한 연료전지의 개념도. - GIST 제공
이산화탄소 재자원화를 통해 얻은 개미산(HCOOH)의 산화반응을 활용한 연료전지의 개념도. - GIST 제공

연구팀은 개미산이 포함된 전해질 용액의 수소이온농도지수(pH)를 단계적으로 조절하면서 pH가 산화 촉매의 활성화에 미치는 영향에 대해 알아봤다. 산화 촉매는 포름산의 산화 반응을 촉진시켜 주는 것으로, 촉매 활성화가 높을수록 산화 반응이 잘 일어나 더 많은 전기를 생산할 수 있게 된다.

 

실험 결과 pH가 8로 약알칼리성일 때 기존의 개미산 산화 조건보다 71% 향상된 전력을 얻었다. 지금까지 포름산 연료전지는 강산성이나 강알칼리성처럼 극단적인 pH 환경에서 연구돼왔기 때문에 이는 예상 밖의 결과였다. 약알칼리성 조건에서 촉매가 가장 잘 활성화된다는 사실을 밝힌 것이다.

 

연구팀은 pH 8 조건에서 전자 전달 속도가 빠르다는 사실도 확인했다. 개미산의 산화반응은 보통 중간산화물로 일산화탄소(CO)를 발생시키며 산화하는 느린 반응 경로와 곧바로 이산화탄소를 내며 산화하는 빠른 반응 경로로 일어난다. 약알칼리성 조건에서는 산화반응이 대부분 후자의 빠른 반응 경로로 일어난다는 것이다.

 

이 교수는 “이번 연구 결과는 개미산 연료전지의 기본 성능을 극대화할 수 있는 조건을 제시한 것”이라며 “여기에 고활성 촉매 연구까지 결합된다면 개미산 연료전지로 긴급 시 신속하게 충전해 주는 고성능 휴대용 보조전원의 에너지원으로도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

논문의 제1 저자인 전명훈 연구원은 “현재 액체 연료로 많이 알려진 메탄올은 인체에 유해한 데 반해 개미산은 무해하다”며 “셀을 적층시키면 소형 연료전지뿐만 아니라 킬로와트(kW)급 중대형 연료전지도 개발할 수 있을 것”이라고 말했다. 

 

연구 결과는 미국화학회(ACS)의 촉매 분야 권위지 ‘ACS 촉매작용(ACS Catalysis)’ 온라인판 10월 13일 자에 게재됐다.

 

 

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