백금 대신 저렴한 촉매로 연료전지 효율 높였다

UNIST는 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 중국 난징대의 부 윈페이 교수팀과 함께 연료전지에 사용하는 백금(Pt) 촉매 대신 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 높은 효율의 새로운 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다.

공동 연구진은 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다. 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계, 합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 전망이다.

기존 촉매 연구는 값비싼 백금을 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는 데 중심을 뒀다. 백금 대신 다른 물질을 써서 고효율을 얻을 수 있는지 살피는 것이다.

그러나 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다.

연구진이 사용한 분광 분석 장비는 'X-선 흡광 분석기'다. 이 장비는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 모양이 물질마다 다르다는 걸 이용한다. 분석 영역에 따라 두 가지로 구분되는데, 기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 EXAFS 분석법을 사용했다.

이번에는 EXAFS 분석 외에도 XANES 분석법을 추가로 활용해 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했다.

백종범 교수는 "성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구"라며 "활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라고 기대했다.

공동 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리 박사는 "아연 원자 한 개에 질소 원자 두 개가 결합한 Zn-N₂ 형태가 산소환원반응 촉매의 이상적인 활성 구조임을 밝혀냈다"며 "이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것"이라고 전했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 6월 13일자로 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자