KAIST·POSTECH 연구팀, 백금 대체 비귀금속 단일 원자 촉매 개발

미래 핵심 에너지원으로 주목받고 있는 수소 연료전지를 기존 귀금속 백금 소재 대비 1000배 이상 저렴한 소재로 만들 수 있는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 조은애(사진) 교수 연구팀이 포스텍(POSTECH) 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발, 해당 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.

공동연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고, 활성 메커니즘을 규명했다. 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지 뿐만 아니라, 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에도 적용이 가능하다. 새롭게 개발한 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다.

조은애 교수는 “기존 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”며 “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높일 수 있었다”고 말했다.

이번 연구성과는 촉매 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 7월 3일 온라인판에 출판됐다.