한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 경희대학교 김진수 교수와의 공동연구를 통해 알칼리 연료전지용 촉매를 개발했습니다. 알칼라인 연료전지는 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는데요. 알칼라인 연료전지의 촉매로 이용되는 백금은 가격이 비싸다는 단점이 있습니다. 그런데 이번 연구를 통해 드디어 백금을 대체할 수 있는 저가형 촉매가 개발됐다고 합니다. 이 촉매는 대량생산이 가능해 알칼라인 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보입니다. 해당 연구 논문은 <Applied Catalysis B-Environmental>에 게재됐습니다.
백금 촉매가 중요했던 이유
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산합니다. 또한 이산화탄소나 질소산화물 등 공해물질의 배출 없이 물만 배출하는 친환경 발전장치죠. 하지만 연료전지에서 일어나는 반응(산소환원반응)은 느린 속도로 일어납니다. 때문에 이 속도를 빠르게 하는 역할을 하는 촉매는 연료전지의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 핵심입니다. 따라서 성능을 올리기 위해서는 촉매의 역할이 굉장히 중요한데요. 촉매로는 주로 백금계열 촉매가 사용돼왔습니다.
백금은 귀금속입니다. 백금계열 촉매는 가격이 비싸고 특정 지역에서만 생산되는 한계를 갖습니다. 과학자들은 백금 소재를 대체하고자 금속이나 질소가 첨가된 탄소계 촉매에 관한 연구들을 활발하게 진행하고 있습니다. 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 효율을 보입니다. 하지만 그 원리를 정확히 알지 못한다는 문제점 등이 있어 실제 알칼라인 연료전지를 구동할 수는 없었다고 합니다.
새로운 촉매의 탄생
KIST 연구진은 촉매로 금속유기골격체를 활용했습니다. 금속유기골격체(Metal Organic Frameworks)는 백금을 대체할 차세대 촉매로 꾸준히 보고됐는데요. 하지만 낮은 생산 수율과 후처리 공정 문제 등으로 상용화에 어려움을 겪고 있었습니다. 이에 KIST-경희대학교 공동연구진은, 스프레이 열분해법을 통해 코발트 및 질소가 도핑된 MOF계 촉매를 개발했습니다.
- MOF(Metal Organic Frameworks)?
금속이온과 유기 리간드가 결합해 형성한 나노 기공 결정을 말합니다. MOF는 높은 비표면적을 갖습니다.
스프레이 열분해법은 가습기 또는 노즐을 이용해 전구체를 액적으로 만들고 이를 고온의 전기로를 통과시켜 분말을 얻는 공정을 말합니다. 스프레이 열분해법은 연속적인 공정으로 대량생산이 가능하고 공업용 가습기를 이용해 입자를 만듭니다. 때문에 연구팀은 필요한 구조의 입자를 쉽게 제조할 수 있었죠. 연구팀이 개발한 촉매는 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상됐다고 합니다.
본 연구는 스프레이 열분해법의 도입으로 MOF재료의 대량생산의 가능성을 갖습니다. 때문에 연구팀의 연구는 연료전지 산소환원반응 촉매 분야 및 흡착제, 배터리 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 연구팀은 '상온'에서 금속산화물로부터 MOF를 합성했습니다. 덕분에 이 연구는 다양한 금속산화물에서도 응용될 수 있을 전망입니다.
이번 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 "본 연구는 스프레이 열분해법의 도입으로 MOF계열 촉매의 성능 향상뿐만 아니라 MOF재료의 대량생산의 가능성을 갖는다. 덕분에 연료전지 산소환원반응 촉매 분야 및 흡착제, 배터리 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
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