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  • 기사등록 2020-10-06 12:00:02
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[기계신문] 연료전지는 지속가능한 청정에너지 사회를 실현하기 위한 열쇠가 되는 가장 유망한 에너지 변환 장치 중 하나다. 특히 반응속도가 느린 산소환원반응을 위한 고성능·고내구성 촉매의 개발은 연료전지 분야에서 가장 중요한 이슈이다.


현재 가장 우수한 활성을 보이는 촉매는 잘 정의된 나노 구조를 가지는 백금계 합금 촉매이다. 특히 나노프레임, 나노케이지 등을 포함하는 중공 나노구조는 비표면적이 크고 우수한 분자 접근성에 의해 고유활성이 매우 뛰어난 고급 촉매로서 주목받고 있다.


그러나 이러한 나노프레임 촉매들은 골격이 너무 얇아 화학적으로 불안정하여 금속의 부식 및 용해에 취약하고, 이는 낮은 촉매 내구성으로 이어진다.


최근 UNIST 화학과 주상훈 교수 연구팀이 나노미터 크기의 촉매 입자가 고온에서 뭉치는 것을 막는 기법을 이용해 ‘백금-구리 나노프레임 촉매(O-PtCuNF/C)’를 개발했다.


이 촉매는 가운데가 뚫린 3차원 나노프레임(뼈대 구조)를 갖고 있어 반응이 일어나는 표면적이 넓고 성능이 좋다. 또 백금과 구리 원자가 불규칙하게 섞여 있는 ‘합금(alloy) 촉매’가 아닌 ‘금속간화합물 촉매’라 안정성이 높다. 가격 경쟁력 측면에서도 값비싼 백금 함량이 적어 유리하다.



▲ 금속간화합물 나노프레임 촉매의 투과전자현미경 사진



수소전기차의 ‘엔진’인 수소연료전지가 작동하려면 효율적인 전극 촉매가 필수적이다. 상용 촉매인 백금 촉매는 가격이 비싸고 내구성이 떨어져 수소전기차 대중화에 걸림돌이 되고 있다.


백금 사용량을 줄이고 촉매 성능을 개선하기 위해 백금과 다른 원소를 혼합한 합금촉매가 꾸준히 연구되는 이유다. 하지만 합금 촉매는 작동 중에 금속이 부식되거나 용해돼 내구성에 한계가 있다.


주상훈 교수팀이 개발한 촉매는 단순 합금 촉매가 아닌 나노 프레임 구조를 갖는 금속간화합물 촉매로서, 나노프레임 입자 표면에 실리카 보호층을 입혀 금속간화합물 촉매를 만들 때 입자끼리 뭉치는 문제를 해결했다.


금속간화합물 촉매는 같은 종류의 금속 원소가 ‘끼리끼리 모여’ 있어 합금 촉매에 비해 촉매가 부식되거나 내부 금속원소가 용해되는 문제가 적다. 같은 종류의 원소들끼리 모여 있으면 동일한 금속 원소 간 상호작용이 커져 안정성이 높기 때문이다.



▲ 금속간화합물 나노프레임 촉매의 합성 전략. 합성 과정 모식도(상)와 합성 단계별 대표 투과전자현미경 사진(좌하 : 합금 나노프레임 촉매, 중하 : 합금 나노프레임-실리카 복합체, 우하 : 금속간화합물 나노프레임 촉매)



UNIST 김호영 박사는 “금속간화합물 촉매의 규칙적인 원자 배열을 만들려면 500℃ 이상의 고온에서 촉매를 가열해야 하는데, 이때 나노프레임 촉매 입자가 뭉치는 문제가 있었다”며 “백금 구리 촉매 입자 표면에 실리카 보호층을 코팅해 넓은 표면적을 갖는 금속간화합물 나노프레임 촉매를 만들 수 있었다”고 설명했다.


이 방법으로 개발된 금속간화합물 나노프레임 촉매는 상용 백금촉매는 물론 단순 합금 나노프레임 촉매보다도 성능이 좋다. 뿐만 아니라 가속 안정성 테스트 후에도 가장 우수한 성능을 보였다. 특히 안정성 테스트 중 용해되는 금속 종의 양이 가장 적었는데, 이는 이 촉매의 뛰어난 화학적 안정성을 보여준다.


주상훈 교수는 “새롭게 개발한 촉매는 또렷한 다면체 나노프레임 구조와 금속간화합물 상(phase)을 융합한 최초 사례”라며 “이번 연구에 이용된 합성법은 다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.



▲ 가속열화(劣化)시험 전후 촉매성능 비교 그래프(좌)와 가속열화시험 후 전해질에 용출된 금속 종의 함량 비교 그래프(우)



이번 연구에서는 최초로 정교한 나노구조를 가지는 금속간화합물 촉매 설계 원리를 제시하였다. 합성된 금속간화합물 나노프레임 촉매는 산소환원반응에 대해 우수한 촉매 성능·내구성을 보였으며, 특히 나노프레임을 포함하는 나노 촉매들의 실제 적용에 있어 근본적인 취약점이었던 내부식성·화학적 안정성을 크게 개선할 수 있었다.


따라서 이번 연구로부터 얻어진 설계 방법론은 나노 촉매의 단위전지 적용 및 고성능 연료전지 시스템 구축에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 전망이다. 또한, 해당 합성법은 다양한 조성의 촉매에도 적용될 수 있어 향후 더 폭넓은 분야에서 더 개선된 금속간화합물 촉매의 개발을 가속화할 것으로 예상된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘기후변화대응기초원천기술개발사업’, ‘미래소재디스커버리사업’ 및 ‘수소에너지혁신기술개발사업’의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 나노재료 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 9월 22일자 온라인 출판됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

오상미 기자 osm@mtnews.net

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