국내 연구진들이 알칼라인 연료전지의 저렴한 탄소계 촉매를 개발해 상용화 가능성을 보여줬다. 이 연구를 통해 고효율의 고체알칼리막 연료전지 전극 구조를 개발해 핵심기술을 확보한다면 수급이 불안정한 태양전지발전, 풍력발전 등을 대체할 수 있는 안정적 신재생 에너지 전력공급원으로서 빠르게 부상할 것이라 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와 공동연구를 통해 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체할 저가형 탄소계 촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.
알칼라인 연료전지는 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기로 변환하는 에너지 변환 장치로 에너지 발생 단계에서 물만 배출해 친환경적이다. 전지 효율을 결정하는 산소환원반응 속도를 높이기 위해 백금 기반의 합금 나노 입자를 촉매로 사용하지만 내구성이 부족하고 가격이 비싸다는 한계가 있다.
연구진이 이번에 개발한 촉매는 코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 촉매로 경제성과 성능, 내구성이 우수하다. 연구진은 코어-쉘 구조를 통해 반응면적을 극대화해 상용 백금 촉매와 비슷한 구조의 전극을 만들어 우수한 연료전지 성능을 구현해 냈다.
연구진은 코발트 금속 상에 그래핀 껍질을 형성할 경우, 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면 전자구조를 유도한다는 사실을 실험적으로 밝혀냈고, 분석을 통해 그래핀 표면에서 반응이 발생한다는 사실을 규명했다. 또 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇음에도 불구하고, 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 나타냈다. 이번 연구가 비백금계 촉매의 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.
KIST 유성종 박사는 "이번 연구는 알칼라인 연료전지의 상용화를 위한 핵심 소재 개발 연구가 활발한 가운데, 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발 방향에 대한 가능성을 볼 수 있었다. "고 연구 의의를 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행됐다. 충남대학교와의 공동 연구로 진행된 이번 연구결과는 세계 최고의 에너지 환경 분야 국제 저널인 'Energy & Environmental Science' 최신호의 표지논문으로 게재됐다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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