고활성‧내구성 확보된 산소환원 촉매 개발 기대
최창혁 교수 “미래 수소 경제 활성화 기여할 것”
광주과학기술원(GIST‧총장 김기선)은 최창혁 GIST 신소재공학부 교수 연구팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 비활성화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다. 이번 연구 성과는 수소연료전지의 상용화에 기여할 전망이다.
수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 이들 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 백금을 촉매로 사용했으나 희소성과 높은 가격 때문에 상용화하기 어려운 실정이다.
백금을 대체하기 위한 철 기반 단원자 촉매의 경우 수소연료전지의 작동 조건인 산성 환경에서 매우 불안정해, 장시간 안정적으로 전력을 생산하기 위해서는 작동 중에 내구성을 확보하는 것이 중요하다.
양극에서 일어나는 산소환원반응의 부산물인 과산화수소가 불안정성을 만드는 주요 원인 가운데 하나로 꼽히지만, 이들과 촉매 사이의 정확한 반응 메커니즘을 밝히지 못해 내구성 확보에 난항을 겪어왔다.
최 교수팀은 인위적으로 촉매를 과산화수소에 노출하고 전해질의 산성도에 따른 촉매의 비활성화 연구를 통해 산성 조건에서 생성되는 불안정한 활성산소종(산소 원자를 포함한 화학적 반응성이 있는 분자)이 촉매 비활성화의 주요 원인이라는 사실을 확인했다.
연구팀은 0에서 14까지 모든 범위의 산성도를 다루면서 촉매의 산소환원반응 비활성화 정도가 전해질의 산성도에 영향을 받는다는 것을 알아냈다. 특히 산성 조건에서 가장 심각한 비활성화가 일어났으며 이는 촉매 표면의 부분적인 산화와 연관이 있음을 규명했다.
또 연구팀은 전자스핀 공명 분광법을 이용해 활성산소종 생성 정도와 촉매의 비활성화 정도가 비례하는 점도 확인했다.
이번 연구는 기후변화대응기술개발사업과 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 미국 화학회가 발행하는 촉매분야 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)’에 7월 20일 온라인 게재됐다.
최창혁 교수는 “이번 연구 성과는 저렴한 철 기반 단원자 촉매를 활용해 수소연료전지의 내구성 확보 전략을 수립하고 직접 실험으로 구현했다는 데 가장 큰 의의가 있다”고 설명했다. 이어 “추후 고활성‧내구성이 확보된 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 덧붙였다.
한편, 백금을 대체할 수 있는 고성능‧저가 촉매 개발에 대한 수요가 증가하는 가운데 GIST는 수소연료전지의 단가 절감과 상용화를 위한 연구에 박차를 가하고 있다.
지난 3월에는 이재영 GIST 지구‧환경공학부 교수 연구팀이 ‘고립전자쌍’을 포함한 탄소를 이용해 수소연료전지 백금 촉매의 성능과 내구성을 개선했다. 이 교수팀이 개발한 백금 촉매는 기존 백금 촉매 대비 우수한 성능을 가지고 있을 뿐만 아니라 수소연료전지 구동 중에서 용출되는 백금의 양을 최소화해 내구성을 높였다.
또 지난 5월에 박찬호 GIST 융합기술학제학부 교수 연구팀은 염기성 조건에서 백금보다 저렴하면서도 성능이 뛰어난 비백금계 촉매를 개발해 주목받은 바 있다.
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