국내연구진, 성능 10배 높인 수소연료전지 촉매 개발

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단이 백금 함량을 절반으로 줄이면서도 발전효율성과 안정성을 동시에 높인 수소연료전지 촉매를 개발했다.
수소연료전지는 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다. 수소가 연료극에서 전자를 내놓을때 전류가 발생한다. 동시에 수소이온이 환원극으로 이동해 공기 중 산소와 반응하면 부산물로 물만이 만들어지므로 친환경적이다.
안정적인 촉매 합금을 만들려면 고온의 수소 열처리가 필요하다. 이 과정에서 수 ㎚(나노미터)의 나노입자가 수십 ㎚ 크기로 뭉쳐 활성 효율을 떨어뜨린다. 수 ㎚ 입자로 구성된 나노합금을 만들어도 고열의 연료전지 구동하에서 쉽게 변형돼 본연의 기능을 상실하는 문제가 발생했다.
연구팀은 나노촉매에 1㎚이하의 얇은 탄소원자막을 입혀 촉매의 활성을 유지하는 방법을 사용했다. 백금과 철로 이뤄진 나노합금 표면에 도파만 고분자를 도포한 뒤 열처리해 탄소원자막을 만들어줬다. 이 막이 촉매를 단단히 잡아줘 입자들의 움직임과 촉매 간 합성을 억제했다.

연구팀이 개발한 물질은 백금량 당 발전량이 기존 대비 10배를 기록했다. 백금과 철 나노입자를 합금하는 방식을 사용해 백금사용을 절반으로 줄여 연료전지의 단가를 대폭 낮출 수 있었다. 성능도 대폭 향상됐다. 1만회 구동했을때 성능 저하가 없었다. 이번 연구성과는 화학분야 세계 최고 권위의 학술지인 미국화학학회지(JACS) 온라인판에 4일 게재됐다.
이번 연구를 주도한 성영은 IBS 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수)는 “저비용, 고성능, 고안정성의 특성을 모두 만족시키는 촉매를 제작했다”며 “수소연료전지를 탑재한 차량의 보급 확대와 향후 연료전지 기반 사업의 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다.
[이영욱 기자]