매연 대신 물만 배출하며 달리는 수소자동차¹⁾는 친환경 이동수단의 대표주자로 꼽힌다. 특히 수소자동차의 동력인 연료전지²⁾는 대기 오염물질을 배출하지 않으면서도 기존 석유 기반 에너지원을 대체 할 수 있다는 점에서 매력적인 기술로 평가받는다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자 연구단(단장 현택환) 연구팀은 연료전지 촉매의 가격을 10분의 1로 줄이면서도, 안정성은 대폭 높일 수 있는 새로운 촉매 개발에 성공했다.

연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 문제는 현재 촉매로 사용되는 백금의 가격이 1kg 당 1억 원 이상인 고가라는 점과 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 불안정성이었다. 연료전지와 수소자동차의 상용화를 위해 가격과 성능 문제를 모두 해결한 비(非)귀금속 촉매 개발이 요구되는 상황이다.

현택환 단장, 성영은 부연구단장이 이끄는 연구팀은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 연구진은 크기가 서로 다른 기공(구멍)이 송송 뚫린 '계층적 다공 나노구조'를 도입했다. 지금까지 계층적 다공 나노구조가 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 점은 알려졌지만, 각 기공의 크기가 연료전지의 성능에 미치는 영향이 규명되진 않았다.

새로 제작된 촉매는 세 종류의 기공을 가진다. 지름을 기준으로 마이크로 기공(<2nm), 메조 기공(2~50nm), 마크로 기공(>50nm)이다. 연구진은 각 나노 기공의 역할을 정량․정성적으로 분석했다.

그 결과 지름이 2~50nm 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀, 전기화학적 활성을 높이는 역할을 하는 것으로 나타났다. 한편 마크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 수송시켜, 성능 향상에 기여하는 것으로 밝혀졌다.

이어 연구진은 개발한 촉매를 연료전지에 적용해, 구동 성능을 분석했다. 그 결과 다양한 연료전지 구동환경에서 계층적 다공 나노구조의 도입으로 인해 성능이 일관되게 향상됨을 확인했다. 또한, 개발된 촉매를 사용한 연료전지는 10000회 이상 구동해도 활성의 저하 없이 안정된 성능을 유지했다.

이번 연구는 계층적 다공 나노구조를 도입한 탄소 촉매가 기존 값비싼 백금계 연료전지촉매를 대체할 새로운 전략이 될 수 있음을 제시했다는 의미가 있다. 특히 서로 다른 크기의 나노기공의 역할을 구체적으로 규명하고, 나아가 다양한 구동환경에서 성능 향상을 입증함으로서 그 타당성을 확보했다. 연구팀은 이번 연구가 차세대 연료전지촉매 개발은 물론, 다양한 전기화학 응용장치의 효율 증대에 기여할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

성영은 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성의 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼, 추후 학문적 발전뿐만 아니라 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society, IF 14.357) 2월 6일자(한국시간)에 온라인 게재됐으며, 표지논문으로 선정되며 한 번 더 그 중요성을 입증 받았다.

그림설명

▲ 그림 1. 서로 다른 다공성 구조를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매마이크로(<2 nm), 메조(2-50 nm), 마크로(>50 nm) 기공 모두를 가진 '계층적 다공 나노구조' 촉매(a). 마이크로․마크로 기공만을 가진 촉매(b). 마이크로․메조 기공만을 가진 촉매(c). 이번 연구에선 다양한 다공 나노구조를 가진 모델 촉매의 전기화학 분석을 통해서 마이크로, 메조, 마크로 기공 모두를 가진 비(非)귀금속 연료전지촉매(a)가 백금을 대체할 만한 높은 성능에 도움이 됨을 정성, 정량적으로 입증했다.

▲ 그림 2. 다공성 나노입자의 장점: 전기화학적 활성 표면적 가용성 증대연구진은 '계층적 다공 나노구조(위 그림의 standard)'가 전기화학적 활성 표면적을 가장 효율적으로 가용할 수 있는 구조임을 전기화학적 분석으로 규명하였다.

▲ 그림 3. 다양한 연료전지 구동 환경에서 '계층적 다공 나노구조'가 일관되게 촉매 활성을 향상시킴을 입증.연구진은 '계층적 다공 나노구조 촉매(위 그림의 standard)'가 다른 나노구조들에 비해 다양한 연료전지 구동 환경에 관계없이 일관되게 성능을 향상시킴을 확인하였다.

▲ 그림 4. 연구 논문 표지이번 연구 성과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 표지 논문으로 게재됐다.