국내 연구진, 저가형 차세대 알칼라인 연료전지 촉매기술 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 알칼라인 전지의 고가 촉매인 백금을 대체하는 저가형 촉매를 개발하는 데 성공했다.

(a) 코발트 코어-그래핀 쉘 구조 나노 촉매 합성 방법 및 실제 형상. (b) 알칼라인 연료전지 구동 시 성능 결과. 그래픽=KIST.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀이 충남대학교 정남기 교수와의 공동연구를 통해 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체해 적용 가능한 저가형 촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.

알칼라인 연료전지는 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 친환경 에너지원이다.

연료전지 전극에서는 전지의 효율을 결정하는 핵심적인 반응인 산소환원반응이 발생하는데 이는 반응 속도가 느리고 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 주 원인이다. 기존 알칼라인 연료전지는 이런 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다.

하지만 백금계열 촉매는 내구성이 부족하고 가격이 비싸다는 한계를 갖고 있어 백금 소재를 대체하고자 탄소계 촉매에 대한 연구들이 활발하게 진행 중이다. 다만 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 산소환원반응 활성을 보이지만 활성화 되는 지점을 알 수 없다는 문제점 등 실제 알칼라인 연료전지 구동 시 성능적인 한계를 보이고 있다.

KIST-충남대 공동연구진은 최근 연구를 통해 고가의 백금계 촉매를 대체 가능한 탄소계 촉매를 개발하고 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는 데 성공했다. 코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 촉매를 개발해 경제성을 비롯한 성능 및 내구성이 우수한 촉매를 개발했다. 연구진은 코어-쉘 구조를 통해 반응면적을 극대화해 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전극을 형성했고 이를 통해 우수한 연료전지 성능을 구현했다.

코어-쉘(Core-Shell) 구조는 중심에 존재하는 코어 물질에 껍질을 형성하는 물질이 둘러싼 구조를 말한다.

연구진은 코발트 금속 상에 그래핀 껍질을 형성할 경우 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면 전자구조를 유도한다는 사실을 실험적으로 밝혀내고 분석을 통해 그래핀 표면에서 반응이 발생한다는 사실을 규명했다. 또 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇음에도 불구하고 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 구현할 수 있게 만들어 비백금계 촉매의 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.

KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 그동안 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발 방향을 제시했다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행됐다. 충남대학교와의 공동 연구로 진행된 이번 연구 결과는 국제 저명 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Energy & Environmental Science’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.