수소 경제 전반의 핵심 발전 시스템인 연료전지의 발전 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매 합성법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단(단장 현택환) 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 열처리 공정만으로 간단하게 백금 기반 연료전지 촉매를 합성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 백금 함량 당 연료전지의 발전 성능을 기존 대비 2배가량 높였다.
* 연료전지(Fuel cell): 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성된다. 음극(anode)에는 수소(H2)를, 양극(cathode)에는 산소(O2)를 각각 공급한다. 음극에서 수소분자가 수소 이온으로 이온화된 뒤 양극으로 이동하고, 양극에서 수소이온과 산소가 만나 물이 형성되면서 전기가 발생하는 원리다.
수소 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데에는 연료전지가 가장 널리 활용된다. 연료전지는 수소(H2)와 산소(O2)를 이용해 전기를 생산하고, 부산물로 물(H2O)만을 배출하는 친환경적인 발전시스템으로 수소발전소 등 수소 산업 곳곳에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 특히, 수소자동차와 수소전기트럭은 전기자동차보다 높은 효율을 낼 수 있어 이상적인 이동수단으로 꼽힌다.
* 수소자동차(Hydrogen vehicle): 수소와 산소의 전기화학반응에서 발생한 전기로 모터를 구동하며, 이때 연료전지가 수소의 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 역할을 한다. 급속충전도 1시간 이상 걸리는 전기자동차와 달리 2~3분간 수소를 공급하면 충전이 완료된다. 또 1회 충전 후 주행거리는 500~700km로 전기자동차보다 길다는 경쟁력이 있다.
하지만 연료전지 촉매로 사용되는 백금(Pt)의 가격이 1㎏ 당 3000만 원 이상이며, 고성능 촉매를 합성하기 위한 합성법이 제한적인 상황이다. 촉매 비용 대비 충분한 발전 성능이 확보되지 않아 아직은 사업성이 떨어진다는 의미다. 연료전지 시스템이 산업 전반에 활용되기 위해서는 백금계 촉매를 손쉽게 대량 생산하는 기술과 적은 촉매로도 발전 성능을 지금보다 크게 개선시키는 것이 필요한 상황이다.
이에 IBS 연구진은 간단한 열처리 공정으로 백금 기반 촉매를 합성하는 새로운 방법을 고안했다. 연구진이 개발한 촉매는 백금(Pt)과 코발트(Co)라는 2개의 금속 원소가 결합한 구조다. 탄소 지지체 위에 두 원소를 두고 온도를 900℃까지 올리면, 두 금속 원소가 규칙적으로 배열되며 4nm 크기의 나노 결정을 이룬다. 불안정한 코발트 주변을 백금 원자들이 규칙적으로 둘러싸 보호하기 때문에 촉매의 성능과 안정성이 매우 뛰어나다. 또 합성 과정에서 유독한 용매나 계면활성제 등이 필요하지 않다는 장점도 있다.
연구진이 고안한 합성법을 이용하면 탄소 지지체 위에 다량의 나노입자를 촘촘히 배치할 수 있어, 산소 기체의 이동도 용이해진다. 연료전지의 반응물로 사용되는 산소 기체의 유입이 쉬워 효율이 더욱 좋아진다는 의미다. 여기에 이온의 이동을 용이하게 하는 아이노머라는 첨가제를 탄소 기판 위에 고르게 분산시켜, 기존 촉매가 연료전지로 구현됐을 때 제 성능을 구현하지 못하는 문제를 해결했다.
연구진은 개발한 촉매를 장착해 연료전지의 성능을 평가했다. 같은 무게의 백금을 사용했을 때 기존 수소자동차 대비 2배 가까운 전력(5.9kW/gpt)을 생산하는 것으로 확인됐다. 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금의 사용량을 2배 절감할 수 있는 셈이다. 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 개발 목표치를 달성한 우수한 성능이다.
현택환 단장은 “값비싼 백금 촉매를 손쉽게 대량 생산하고, 소량의 촉매만으로도 더 높은 발전 성능과 내구성을 구현할 수 있는 원천기술”이라며 “연료전지 촉매뿐 아니라 여러 전기화학 산업에 사용되는 촉매들의 성능 및 내구성 증대에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구를 이끈 성영은 부연구단장은 “연료전지 상용화의 걸림돌이었던 문제를 해결하고, 세계 최고 수준의 연료전지 성능을 확보했다”며 “수소자동차의 산업적 발전은 물론 탄소 중립을 위한 수소 경제 달성에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다.
연구결과는 1월 30일(한국시간) 에너지 분야 세계 최고 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 39.714)’ 온라인 판에 실렸다.
▲ 개발된 백금-코발트 나노촉매의 현미경 이미지 및 연료전지 발전 성능
주사전자현미경(STEM) 및 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 백금-코발트 나노촉매의 모습. 기존에 보고된 최고 수준의 촉매들과 비교했을 때 연구진이 개발한 촉매는 백금 함량 당 발전 성능(정격 출력 밀도)이 두 배 가까이 개선되었다.
▲ 백금-코발트 나노촉매 형성 과정
탄소 지지체 위에 백금(은색 원)과 코발트(빨간색 원) 원자들을 형성한 뒤 900℃까지 온도를 높이는 단순한 열처리 과정을 통해 새로운 나노촉매를 합성했다. 탄소 지지체 위에서 원자들이 규칙적으로 배열돼 높은 성능과 안정성을 가진다.
출처: 기초과학연구원
