'인공번개' 활용해 힘 세고 오래가는 알칼리 연료전지 촉매 개발

KIST 연구팀 "코발트 기반 단일 원자 촉매" 만들어

KIST 연구팀이 개발한 인공번개 활용 차세대 알칼리 연료전지용 촉매 개념도.

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 인공 번개를 이용해 차세대 친환경 에너지원인 알칼리 연료전지(AFC)에 사용하는 고효율 촉매 생산에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김남동 기능성복합소재연구센터 박사, 유성종 수소·연료전지연구센터 박사 연구팀이 전기 용접에 사용하는 아크 방전(인공 번개)를 활용해 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

AFC는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는데, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하기 때문에 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 문제는 백금 촉매를 사용하기 때문에 가격이 비싸고 안정성에도 한계가 있다는 것이다. 이에 과학자들은 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)를 개발 중이다. 그러나 여기에도 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하된다는 문제는 여전하다.

연구팀은 아크 방전의 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. 연구팀이 개발한 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가진다. 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 이같은 단일 원자 촉매 합성 방법이 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능하다는 것도 확인했다.

김 박사는 "차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심"이라며 "차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 수도 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr