연료전지 효율 높이는 촉매의 비밀
연료전지 효율 높이는 촉매의 비밀
  • 함예솔
  • 승인 2021.03.04 13:35
  • 조회수 586
  • 댓글 0
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친환경 에너지원으로 주목받고 있는 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 통해 전기와 열을 동시에 얻습니다. 그래서 반응 효율을 높여주는 촉매는 곧 연료전지의 성능과 직결됩니다. POSTECH-UNIST 연구팀이 원자 단위에서의 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 밝힘으로써 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가섰습니다.   

 

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 한정우 교수, 박사 과정 김경학 씨 연구팀은 UNIST(울산과기원) 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 'PBMO'가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출)되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했습니다. 참고로 엑솔루션은 금속 혼합물 따위를 가열해 그 성분을 분리하는 조작을 말하는데요. 이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 'Energy & Environmental Science'의 뒷표지 논문(Outside back cover)으로 선정돼 게재됐습니다.

 

촉매 상 전이 및 엑솔루션 현상 규명하다

 

촉매는 물질의 화학반응을 더욱 잘 일어날 수 있도록 돕는 물질입니다. 연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO(Pr0.5Ba0.5MnO3-δ)는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있습니다. 특히, 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가집니다. 이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 엑솔루션 현상이 일어납니다. 

 

이 현상은 특별한 공정 과정 없이 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나는데, 물질 내부에 있던 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아집니다. 하지만 그동안 어떤 과정을 통하여 고성능의 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었습니다. 

환원 조건에 따라 소재 상 전이, 엑솔루션 입자 형성, 촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도. 출처: UNIST
환원 조건에 따라 소재 상 전이, 엑솔루션 입자 형성, 촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도. 출처: UNIST

연구팀은 이런 특징에 주목해 양자역학 기반의 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 in-situ XRD 실험을 통해 이 과정이 상 전이 → 입자 석출 → 촉매 형성의 과정을 거침을 확인했습니다.  또한, 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인하여 다양한 화학 촉매에도 본 연구가 적용 가능함을 확인했습니다. 

XRD (X-Ray Diffraction)

X-Ray를 소재에 조사할 때 특정 각도에서 회절이 일어나는 것을 바탕으로 물질의 결정구조를 파악하는 분석법입니다.

김건태 교수는 "이 물질은 연료 전지 뿐만 아니라 촉매 지지체와 나노 촉매가 필요한 오염물질 저감, 센서, 화학 촉매 분야에 쓸 수 있어 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다"고 전했습니다. 한정우 교수는 "시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례"라고 설명했습니다.

김건태 교수(좌측)와 주상욱 연구원(우측). 출처: UNIST
김건태 교수(좌측)와 주상욱 연구원(우측). 출처: UNIST

 


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