에기연, '일산화탄소'로 연료전지 촉매 생산

일산화탄소를 이용한 연료전지 촉매 생산기술이 국내에서 개발됐다.

한국에너지기술연구원(에기연)은 수소연료전지연구실 박구곤·권용민·이은직 박사 연구팀이 인체에 유해한 일산화탄소로 '코어-쉘(Core-shell) 촉매'를 보다 쉽고 빠르게 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

(윗줄 왼쪽부터 시계방향) 임익성 학생연구원, 황영주 박사후연구원, 이은직 책임연구원, 박구곤 책임연구원, 권용민 선임연구원, 최지예 학생연구원, 정서연 학생연구원, 이도훈 학생연구원, 최아현 학생연구원, 한정민 학생연구원. 한국에너지기술연구원 제공

코어-쉘은 촉매를 구성하는 알맹이와 껍질을 서로 다른 금속으로 만드는 역할로 연료전지의 경제성을 좌우한다. 대체로 알맹이(코어)에는 저가 금속이 활용되고 껍질(쉘)에는 연료전지의 반응을 촉진하는 백금이 활용된다. 코어-쉘을 활용하면 값비싼 백금을 소량만 사용해도 성능을 유지할 수 있어 연료전지의 경제성을 높일 수 있다.

고성능 코어-쉘 구조를 만들기 위해선 0.3㎛ 수준의 쉘을 코어 표면에 정밀 코팅해야 한다. 이를 위해 코어에 저가 금속인 구리를 얇게 깔고 그 위에 백금을 증착하는 '언더포텐셜 구리 증착법(Cu-UPD)'이 주로 사용된다.

하지만 Cu-UPD 방식은 구리를 원자층 수준으로 코팅하는 과정에서 매우 정밀한 전압 조절과 금속 표면의 산화물층을 제거하는 추가 공정을 거쳐야 한다. 또 별도의 환원제가 필요하다. 이 때문에 대량 생산 과정이 복잡하고 생산 시간이 길어지는 문제가 생긴다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 일산화탄소의 강한 흡착력을 이용했다. 일산화탄소의 산화-환원 반응을 이용한 '일산화탄소 흡착 유도 증착법(CO Adsorption-Induced Deposition·CO AID)을 개발, 기존 방식에서 요구하는 추가 공정과 환원제 없이도 금속을 정밀 코팅할 수 있게 함으로써 공정에 들이는 시간을 기존 공정 대비 1/10분 수준으로 줄인 것이 핵심이다.

또 일산화탄소를 코어 금속 표면에 단일 분자층 형태로 흡착시킨 후 분자층 위에 백금 입자만 선택적으로 환원시켜 금속을 0.3㎛ 수준의 두께에서 정밀 제어하는 데 성공했다.

이를 활용하면 최소 30분~최대 2시간 이내(기존 24시간 이상)로 1㎏ 단위의 코어-쉘 촉매를 합성할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

실제 연구팀은 개발한 기술을 토대로 팔라듐, 금, 이리듐 등 금속에 백금을 얇게 입힌 코어-쉘 구조 촉매를 제작했을 때 팔라듐 기반의 백금 코어-쉘 촉매는 상용화된 백금/탄소(Pt/C, 현재 연료전지의 표준 촉매로 활용) 촉매보다 산소환원반응(ORR)은 2배, 내구성은 1.5배 높은 성능을 나타냈다.

박구곤 박사는 "이번 연구는 일산화탄소의 유해성을 '나노 수준 박막 제어의 도구'로 바꾸는 발상의 전환을 시작으로 진행됐다"며 "이는 원자 단위에서 물질을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성 패러다임을 제시한 것으로, 공정시간도 대폭 단축돼 상용화 가능성을 높인다"고 말했다.

한편 이번 연구는 나노·재료 분야 국제 학술지 '에이씨에스 나노(ACS nano)' 11월호에 게재, 속표지로도 선정됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr