탄소다공체 위의 백금.철 나노합금 촉매(왼쪽)와 그 위에 도파민을 입힌 모습(가운데와 오른쪽). 원자 배열이 규칙적으로 정렬된 백금.철 나노합금에 도파민을 입힌 뒤 열처리 과정을 거쳐 탄소원자막을 만든다. 탄소원자막이 나노입자의 뭉침을 방지해 작은 크기의 나노입자를 합성할 수 있다. <>

IBS 나노입자연구단 "백금 사용은 절반 ↓ 성능·안정성은 ↑"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 백금 사용량을 절반으로 줄이면서 발전 효율성과 안정성을 동시에 높인 '수소연료전지 촉매'를 개발, 발전성능을 10배 높였다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 7일 백금과 철 나노합금 표면에 탄소원자막을 입히는 방법으로 수소연료전지 촉매의 발전성능과 안정성을 크게 높였다고 밝혔다.

이 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지(JACS, 12월 4일자)'에 게재됐다.

1만회 구동 실험 후의 백금.철 나노합금 촉매 분포 사진. 1만회 구동실험 후에도 백금.철 나노합금이 잘 유지돼 있는 것으로 확인됐으며 성능저하 현상도 발생하지 않았다. <>

수소연료전지는 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된 소형 발전기로 수소가 연료극에서 전자를 내놓아 전류가 발생한다. 부산물은 전자를 내놓은 수소이온이 환원극에서 공기 중 산소와 반응해 만들어지는 물만 나오기 때문에 친환경 에너지원으로 주목받고 있다.

그러나 수소연료전지는 발전효율을 결정짓는 핵심소재인 백금 촉매 가격이 매우 비싸고 고열의 구동환경에서 쉽게 변형돼 제 기능을 잃는 문제가 있다. 이 때문에 고가인 백금 사용을 줄이면서 발전효율과 안정성을 높이는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

연구진은 백금과 철로 이루어진 나노합금 표면에 탄소원자막을 1nm 이하로 얇게 입히는 방법으로 고온에서 백금과 철 나노입자가 팽창하는 것을 막고 촉매들끼리 합쳐지는 현상을 차단, 안정성을 크게 높였다.

탄소원자막을 입히는 데에는 생체 신경전달물질인 도파민을 사용했다. 백금·철 나노합금 표면에 액체상태의 도파민 고분자를 입히고 열처리를 하면 표면에 탄소원자막이 생성돼 나노입자들이 뭉치는 것을 막아준다.

이 백금·철 나노합금촉매에는 백금이 기존 촉매의 절반만 사용되고, 수소연료전지의 환원극 활성 촉매로 사용할 때 발전량(백금 양 기준)이 기존 촉매(0.14 mA/g)의 10배 이상(1.6 mA/g) 증가했다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수. 왼쪽)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수)

또 이 촉매는 제품 수명에 가까운 1만회 구동했을 때에도 성능 저하가 나타나지 않았으며 실제 상용화 단계의 연료전지 시스템에 적용했을 때도 100시간 연속 구동 시 3.4%의 성능 저하만 보였다.

성영은 IBS 그룹리더는 "이 연구에서 저비용, 고성능, 고안정성 특성을 모두 만족하게 하는 촉매를 제작했다"며 "수소연료전지 차량 보급 확대와 향후 연료전지 기반사업 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

연합뉴스 12월 7일자