저렴한 수소연료전지 '촉매' 개발

탄소 입자 크기에 따른 전해질의 접근성을 표현한 그림. 입자 크기가 작을수록 전해질이 쉽게 접근할 수 있어 우수한 산소환원반응을 나타냈다.

[아시아경제 황준호 기자] 수소연료전지를 저렴하게 개발할 수 있는 산소환원반응 촉매가 개발됐다. 자동차, 발전소 등 다방면의 수소연료전지 상용화에 기여할 기술이 될 것으로 예상된다. 광주과학기술원(지스트)은 박찬호 융합기술학제학부 교수 연구팀이 염기성 조건에서 백금보다 저렴하면서도 성능이 뛰어난 비백금계 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

구형 촉매의 주사전자현미경 이미지다. 각 촉매의 크기는 (a) 1173nm, (b)723nm, (c)337nm, (d)151nm 다.

연구팀은 철과 질소 전구체(화합물)를 기공을 다수 보유하고 있는 공 모양의 실리콘 산화물인 다공성 구형 실리카에 담지한 후, 나노주형법으로 백금을 사용하지 않는 촉매를 개발했다. 또 이 촉매가 철과 질소 간 결합을 통해 백금보다 우수한 산소환원반응을 일으킨다는 것을 확인했다. 나노주형법은 기공을 가진 단단한 금속산화물을 주형틀로 사용해 다공성 소재를 얻는 방식이다. 주형틀 속 기공 안에 제조할 소재의 전구체를 넣고 고체화 한 뒤 주형틀을 제거하면 원하는 소재를 얻게 된다.

특히 연구팀은 철-질소 촉매의 크기를 조절해 촉매 반응의 최대 효율을 얻기도 했다. 연구팀은 탄소 입자의 크기가 작을수록 탄소 입자와 전해질이 접촉하는 면적이 증가해 접근성이 향상되므로 산소 환원 반응이 촉진되는 것을 확인했다. 이어 성능 감소를 고려해 이번 실험에서 사용한 접근 방식 내에서 가장 효율적 입자 크기를 도출해 내기도 했다.

박찬호 교수

박찬호 교수는 "이번 연구는 음이온 전해질막 수소연료전지에 적용될 수 있는 비백금계 산소 환원 촉매를 개발했다는 점이 큰 의미"라며 "향후 저렴한 신규 산소환원반응 촉매 개발을 통해 수소 연료전지 단가 절감에 도움이 될 것으로 예상하며 광범위한 상용화에 기여하기를 바란다"고 말했다.

이번 연구 결과는 응용화학 분야 학술지인 저널 오브 에너지 케미스트리에 실렸다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr