수소기반 연료전지 상용화 핵심 실용촉매 개발

GIST 이재영- KAIST 김형준 교수 공동연구팀, 수소경제 산업파장 획기적

GIST(지스트, 총장 김기선) Ertl 탄소비움연구센터 이재영 교수(지구‧환경공학부)와 한국과학기술원(KAIST) 화학과 김형준 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다.

이번 연구성과는 수소경제 구현을 위한 고성능 연료전지 개발에 있어 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가되고 있다.

공기극 산소환원반응은 느린 반응 속도와 함께 높은 과전압이 요구돼 연료전지 효율 향상에 걸림돌이 돼왔다.

현재는 백금이 가장 적합한 촉매로서 평가받고 있으나 고가이면서 제한된 자원으로 수소전기차 가격경쟁력을 떨어트렸다.

▲GIST지구환경공학부 이재영 교수 ⓒGIST

이때문에 가격 경쟁력이 높은 비귀금속 기반의 우수한 성능과 내구성을 보유한 촉매 제조 관련 연구가 주목받고 있다.

비귀금속 촉매 개발에서 가장 중요한 점은 산소환원반응 성능을 결정하는 변수를 찾고 이에 기반한 최적의 촉매를 설계하는 것이다.

또한 변수를 찾아내기 위해서는 전기화학적 실험과 최신계산이론에 근거한 뒷받침이 필요하다.

연구팀은 전기방사법을 통해 다양한 비귀금속(니켈, 코발트, 철, 은) 이 담지된 탄소나노섬유 촉매를 제조한 뒤, 이를 활용해 수용액 상에서 산소의 환원반응 성능을 비교했으며, 밀도범함수 이론에 기반해 제조된 촉매의 구조 및 일함수 등을 계산, 촉매 성능과 상관관계를 갖는 변수 발견을 시도했다.

그 결과 철기반의 탄노나노섬유가 최적의 일함수를 가지고, 산소환원반응에 대한 가장 높은 성능을 나타냈음을 확인했다.

또한, 연료전지의 수명을 증대시키기 위해 촉매의 내구성도 중요한 요인이다.

▲KAIST 화학과 김형준 교수 ⓒGIST

공동연구팀은 철기반의 탄소나노섬유의 내구성을 극대화시키기 위해서 10%의 코발트를 포함시켜 우수한 가속내구성 평가결과를 확인했다.

GIST 이재영 교수 및 KAIST 김형준 교수는 “이번 연구는 활성이 있는 것으로 보고되고 있는 철기반 비귀금속 촉매의 내구성 문제를 실험과 계산으로 해결한 것이다. 알카라인 수소기반연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

GIST 이재영 교수와 KAIST 김형준 교수가 주도하고 KAIST 하윤후 박사과정생(공동 1저자)과 GIST 강신우 석사과정생(공동 1저자)이 주도적으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 Journal of Physical Chemistry Letters 지난 22일자 온라인 판에 게재됐다.