수소자동차에 저비용 탄소기반 촉매 적용 가능

수소연료전지 내구성 저하 원인이 활성산소임을 규명

▲수소연료전지 내에서 탄소기반 촉매의 내구성이 저하되는 원인이 활성산소임을 나타내는 그림 ⓒ한국연구재단

광주과학기술원 최창혁 교수와 한국과학기술원 김형준 교수 공동연구팀이 수소연료전지 내에서 탄소기반 촉매의 내구성이 저하되는 원인이 활성산소임을 규명함에 따라 수소자동차에 저비용 탄소기반 촉매를 적용할 수 있게 돼 대중화에 한걸음 다가섰다.

수소자동차의 가격 경쟁력을 갖추기 위해 값비싼 백금 촉매를 저렴한 탄소기반 촉매로 대체하려는 연구가 다각적으로 이루어졌다.

그 결과 성능 면에서는 기존 백금 촉매에 견줄 만큼 발전되었으나 100시간도 되지 않는 낮은 내구성으로 인해 상용화로 적용되지 못하고 있다.

연구팀은 탄소기반 촉매의 낮은 내구성이 중간 생성물인 활성산소 때문임을 규명해, 촉매의 안정성을 확보할 기반을 마련했다.

수소연료전지를 구동할 때 과산화수소가 생성된다.

마치 소독제인 과산화수소를 상처에 발랐을 때처럼 과산화수소가 탄소기반 촉매에 노출되면 활성산소에 의해 거품이 일어난다. 연구팀은 이 활성산소에 의해 촉매성능이 감소한 것을 확인했다.

또 탄소기반 촉매에서 활성산소에 의해 생긴 산소작용기를 제거하면 촉매의 구조는 붕괴되지 않아, 활성산소를 제어하는 것만으로 성능을 80% 이상 회복할 수 있다.

▲ 최창혁 교수ⓒ한국연구재단

최창혁 교수는 “이 연구는 탄소기반 촉매의 내구성에 대한 지난 수년간의 수수께끼를 풀어낸 것”이라며, ”향후 활성산소 제어를 통해서 탄소기반 촉매의 성공적인 연료전지 자동차 도입을 연구할 계획“이라고 밝혔다.

이 연구 성과는 환경과학 분야 최고 권위 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)에 10월 4일 게재됐다.