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저렴하면서 성능·내구성 뛰어난 수소연료전지 촉매 개발

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저렴하면서 성능·내구성 뛰어난 수소연료전지 촉매 개발

2021.05.07 13:26
코발트·백금 합금 촉매…에너지연 "연료전지 상용화 기여"

코발트·백금 합금 촉매…에너지연 "연료전지 상용화 기여"


연구팀이 코발트·백금 합금 촉매를 장치에 넣고 있는 모습
 
[한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

한국에너지기술연구원은 박구곤 박사 연구팀과 미국 브룩헤이븐 국가연구소·센트럴 미시간 대학 연구팀이 공동으로 수소연료전지 촉매로 쓰이는 백금 사용량을 줄일 수 있는 코발트·백금 합금 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다.

 

친환경 에너지원으로 주목받는 수소연료전지에서 수소 생산을 위한 전극 촉매로 백금이 쓰이는데, 성능은 뛰어나지만 가격이 비싸다.

 

전극 촉매 비용은 연료전지 시스템의 핵심인 스택(개별 연료전지를 직병렬로 연결한 장치) 비용의 절반을 차지할 정도로 높아 상용화에 걸림돌이 되고 있다.


코발트·백금 합금 촉매를 장치에 넣고 있는 모습
 
[한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

이에 백금 사용량을 줄여 마치 달걀노른자(core)를 감싸고 있는 흰자(shell)처럼 다른 금속과 백금을 결합한 '코어·셸 구조'의 촉매를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 공정이 복잡하고 코어에 사용되는 팔라듐 금속 역시 비싸 한계가 있었다.

 

비용을 낮추기 위해 코어에 저가의 전이 금속을 적용한 연구가 있었지만, 내구성이 떨어져 전극 촉매로 적용하기 어려웠다.

 

연구팀은 저가의 코발트를 백금이 감싸는 구조의 코어(코발트)·셸(백금) 촉매를 개발했다.

 

두세 단계 복잡한 공정을 거쳐야 하는 구리 도금법 대신 초음파 기반 반응 공정을 이용해 코발트·백금 합금 촉매를 한 번에 5g씩 제조할 수 있다.


초음파 기반 반응 공정을 이용해 촉매를 제조하는 모습
 
[한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

또 촉매 제조에 가압 질화(금속 원자구조 내부에 질소를 도입해 금속 안정성을 높이는 기법) 공정을 도입, 질화 과정에서 압력이 커질수록 코발트 코어의 질화 수준이 증가하고 전극 촉매의 내구성 또한 향상됨을 확인했다.

 

연구팀이 개발한 합금 촉매는 기존 백금 촉매보다 성능은 2배, 내구성은 5배 높은 것으로 나타났다.

 

박구곤 박사는 "백금 사용량을 최소화하면서 연료전지의 성능과 수명을 획기적으로 높일 방법을 개발했다"며 "연료전지의 가격 경쟁력을 높여 상용화에 기여할 것"이라고 말했다.

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회 카탈리시스'(ACS Catalysis) 이날 자 표지 논문으로 실렸다.


ACS 카탈리시스 표지에 실린 연구 결과
 
[한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

연합뉴스

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