'저렴한 고성능 연료전지 상용화' UNIST, 비금속계 촉매 합성 개발

수소차에 쓰이는 수소 연료전지를 저렴하게 만들 수 있는 촉매 합성법을 UNIST(총장 정무영) 연구진이 개발했다.

3일 UNIST에 따르면 에너지 및 화학공학부의 주상훈 교수(40)팀은 '철과 질소가 포함된 탄소 촉매(Fe-N/C, 이하 탄소 촉매)'의 성능을 높이는 새로운 촉매 합성법을 개발했다.

이번 기술로 저렴한 고성능 연료전지 상용화가 앞당겨져 수소차 대중화가 가속화될 전망이다.

수소 연료전지는 수소와 산소를 결합해 전기와 물을 만들어낼 때 반드시 촉매가 필요한데, 지금까지 상용화된 연료전지에는 귀금속인 백금 촉매가 사용됐다.

하지만 백금 가격은 g당 5만원을 넘기 때문에 수소차나 수소 연료전지 대중화에 걸림돌이 돼 왔다.

백금을 대체할 후보물질 중에는 Fe-N/C가 가장 높은 성능을 보이지만 이 물질은 700도 이상의 고온 열처리를 통해 합성되기 때문에 촉매 활성점이 파괴되는 문제점이 있었다. 촉매 활성점은 촉매에서 반응물과 결합해 반응이 진행되는 위치를 말한다.

주 교수팀은 이를 해결하기 위해 '실리카 보호층'을 도입했다.

실리카 보호층은 탄소 촉매 합성과정 중에 촉매 활성점이 파괴되는 걸 막았고, 고온 열처리 과정 후에도 촉매 활성점을 효과적으로 유지시켰다.

이 방법으로 개발한 탄소 촉매는 백금 촉매보다 훨씬 저렴하면서도 산소환원반응 효율은 상용 백금 촉매와 유사한 수준을 보였다. 산소환원반응은 수소 연료전지 음극(환원극)에서 발생하는 전기화학 반응이다. 양극(산화극)의 수소산화반응보다 약 100만배 느리기 때문에 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 주요인이 됐다. 백금 등의 촉매는 이를 극복하는 데 쓰인다. 특히 이번에 개발한 탄소 촉매는 미국 에너지부(DOE)에서 제시한 2020년 비귀금속 촉매 성능 목표치인 300A/㎤를 넘긴 320A/㎤를 달성했다.

이 촉매를 이용한 알칼리 연료전지(수소 연료전지의 일종)는 비귀금속계 촉매 중 가장 높은 성능을 구현하는 데 성공했다.

주 교수는 "새롭게 개발한 비귀금속계 촉매 합성을 통해 연료전지 상용화에 한 단계 접근할 수 있을 것으로 기대된다"며 "이번 연구에서 개발한 합성법은 연료전지 외에도 다양한 에너지 변환 및 저장 장치에 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구결과는 화학계 최고의 권위를 자랑하는 미국화학회지 11월 2일자 온라인판에 공개됐다.

[e-mail] 김기열 기자