3차원 나노 뼈대 가진 '수소차 촉매'.. 가격도 저렴

수소차 연료전지용 고성능·고내구성 촉매 개발
세계 최초 '금속간화합물 3차원 나노프레임' 촉매

금속간화합물 나노프레임 촉매의 투과전자현미경

[아시아경제 황준호 기자] 수소 전기차 등에 사용되는 연료전지용 금속간화합물 나노프레임 촉매가 개발됐다. 기존 연료전지에 활용되는 전극 촉매보다 안정성과 가격경쟁력이 높아, 차세대 촉매로 활용될 경우 수소차 대중화에 기여할 것으로 예상된다.

주상훈 울산과학기술원 화학과 교수의 연구팀은 나노미터 크기의 촉매 입자가 고온에서 뭉치는 것을 막는 방법을 통해 '백금-구리 나노 프레임 촉매'를 개발했다고 6일 밝혔다. 관련 연구 결과는 나노 분야 국제 학술지인 나노레터스에 지난달 실렸다.

3차원 나노 뼈대 구조 금속간화합물 촉매 개발

금속간화합물 나노프레임 촉매의 합성전략

연구팀이 개발한 촉매는 가운데가 뚫린 3차원 나노 뼈대 구조(프레임)를 갖고 있다. 이에 따라 촉매 반응을 일으킬 수 있는 표면적이 넓어 효과적으로 반응할 수 있다.

이 촉매는 같은 종류의 금속 원소가 모여 있는 금속간화합물로 구성돼 있다. 이에 따라 기존 촉매보다 부식되거나 내부 금속원소가 용해되는 문제가 적고 가격이 높은 백금 함량을 줄일 수 있다.

연구팀은 나노 프레임 입자 표면에 실리카 보호층을 입혀, 금속간화합물 촉매를 만들 때 입자끼리 뭉치는 문제를 해결하고 이 촉매를 개발했다.

이 논문의 1저자인 김호영 박사는 "금속간 화합물 촉매의 규칙적인 원자 배열을 만들려면 500℃이상의 고온에서 촉매를 가열해야 하는데, 이 때 나노 프레임 촉매 입자가 뭉치는 문제가 있었다"며 "백금 구리 촉매 입자 표면에 실리카 보호층을 코팅해 넓은 표면적을 갖는 금속간화합물 나노 프레임 촉매를 만들 수 있었다"고 설명했다.

다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용

가속열화시험 전후 촉매의 성능 비교 그래프

이 방법으로 개발된 금속간화합물 나노 프레임 촉매는 상용 백금촉매는 물론 단순 합금 나노프레임 촉매보다도 성능이 좋다. 뿐만 아니라 안정성 테스트(가속 안정성 테스트) 후에도 가장 우수한 성능을 보였다. 특히 안정성 테스트 중 용해되는 금속 종의 양이 가장 적었다.

주상훈 교수는 "새롭게 개발한 촉매는 또렷한 다면체 나노 프레임 구조와 금속간화합물 상(phase)을 융합한 최초 사례"라며 "이번 연구에 이용된 합성법은 다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr