코발트 기반 알칼리 연료전지 단일 원자 촉매 양산 합성법 개발
코발트 기반 알칼리 연료전지 단일 원자 촉매 양산 합성법 개발
  • 엄재성 기자
  • 승인 2021.08.19 09:52
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백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대

알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다.

그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다.

인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. (사진=KIST)
인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. (사진=KIST)

개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다.

연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다.

또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다.

KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다.


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