산소 환원반응 효율 높인 연료전지 촉매 기술 개발

백종범 UNIST 교수팀, 전이금속 기반 촉매 합성 후 활성 반응 자리 밝혀

가능한 전이금속 원자(분홍색)와 탄소(노란색), 질소(파랑색)와의 결합구조 모식도

[아시아경제 김철현 기자] 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소 환원반응을 돕는 '촉매'가 가장 중요하다. 기존에는 값비싼 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 쓰였는데 이를 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 시도가 많다. 이 가운데 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합해 높은 효율과 안정성을 보이는 촉매가 개발돼 눈길을 끌고 있다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영)은 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 난징대 부 윈페이 교수팀과 공동으로 아연, 질소, 탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계, 합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 전망이다.

이번 연구에서 백종범 교수팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 이어 분광 분석 장비, 원자 내에 전자가 들어가는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소 환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.

연구진이 사용한 분광 분석 장비는 'X선 흡광 분석기'다. 이 장비는 X선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X선을 흡수하는 모양이 물질마다 다르다는 걸 이용한다. 분석 영역에 따라 두 가지로 구분되는데, 기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 'EXAFS 분석법'을 사용했다. 이번에는 'XANES 분석법'을 추가로 활용해 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금(Pt)과 비교해도 산소 환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했다. 이 실험 결과는 이론적인 계산 결과와도 일치했다.

백종범 교수는 "성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구"라며 "활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라고 기대했다. 이번 연구는 저명한 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 최근 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr