0.015원어치 백금으로 수소전지 성능 21배 높인다

2019.02.25 13:41
금속나노입자의 고온 전기화학적 촉매 특성 정밀 평가를 위한 전극 구조를 모식도로 나타냈다. KAIST 제공
금속나노입자의 고온 전기화학적 촉매 특성 정밀 평가를 위한 전극 구조를 모식도로 나타냈다. KAIST 제공

약 0.015원의 가치를 가진 백금 300나노그램(ng∙10억분의 1g)으로 연료전지의 성능을 21배까지 높일 수 있는 나노촉매기술이 개발됐다. 수소에너지 기술의 핵심이 될 연료전지 외에도 물 분해 수소생산과 같은 다양한 환경친화적 에너지기술에 적용될 것으로 기대를 모은다.  


정우철∙김상욱 KAIST 신소재공학과 교수와 김현유 충남대 신소재공학과 교수 연구팀은 금속 나노소재를 이용해 수소 연료전지의 성능을 높일 수 있는 나노촉매기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 


10나노미터(nm∙10억분의 1m) 이하 크기의 금속 나노 입자는 적은 양으로도 높은 촉매활성 특성을 보이기 때문에 최근 에너지 및 환경기술 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 가격이 비싸고 높은 온도에서 입자들끼리 뭉쳐 촉매활성이 저하되는 문제점이 존재한다.


연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 블록공중합체의 자기조립 성질을 활용했다. 두 가지 이상의 고분자 사슬이 공유결합으로 이뤄진 블록공중합체는 해당 사슬들 사이에 상호 배척하는 성질과 자발적인 상 분리 현상을 유도해 다양한 규격화된 나노구조를 형성하는 성질이 있다. 이 성질을 이용해 연료전지 전극 표면에 10나노미터 크기의 균일한 금속 나노입자를 균일하게 합성하는 데 성공했다. 


연구팀은 하나의 입자가 갖는 촉매 특성을 고온에서 정확히 분석해 연료전지의 성능이 극대화되는 것을 확인했다. 대표적 귀금속 촉매인 백금의 경우, 300나노그램(약 0.015원 가치)의 적은 양으로도 연료전지의 성능을 21배까지 높일 수 있는 것으로 나타났다.

 

연구팀은 또 백금 외에 많이 활용되는 촉매인 팔라듐, 금, 코발트과 같은 금속 촉매 특성을 정량적으로 파악하고 비교했다. 이론적 규명을 통해 촉매 성능이 향상되는 정확한 원리도 밝혔다.


정 교수는 “단순히 값비싼 촉매의 양을 늘리는 비효율적인 방법을 사용하던 기존 틀을 깨고 매우 적은 양의 나노입자를 이용해 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 명확한 아이디어를 제시했다”며 “해당 기술은 금속촉매가 사용되는 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 높은 유연성을 가지고 있어 추후 연료전지, 물 분해 수소생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 온라인 18일자에 발표됐다.

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