백금촉매에 탄소껍질 씌워 수소차 핵심 연료전지 수명 4배 늘린다

2019.08.07 15:55
왼쪽부터 성영은 교수, 임태호 교수, 권오중 교수. 한국연구재단 제공.
왼쪽부터 성영은 교수, 임태호 교수, 권오중 교수. 한국연구재단 제공.

국내 연구진이 수소자동차에 쓰이는 핵심기술인 연료전지의 수명을 늘릴 수 있는 단일 열처리 공정을 개발했다. 

 

권오중 인천대 에너지화학공학과 교수와 임태호 숭실대 화학공학과 교수, 성영은 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀은 연료전지의 수명을 좌우하는 비싼 백금 촉매를 탄소껍질로 둘러싸 수명을 4배 이상 늘리는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 백금촉매를 탄소 나노캡슐처럼 만들어 값비싼 백금의 내구성을 4배 향상시킨 것이다. 

 

연료전지 내부에서 전력을 생산할 때 산소의 환원을 돕는 백금은 차츰 용해되기 때문에 연료전지의 수명을 늘리는 데 한계가 있다. 과학자들은 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 높이려는 시도를 하고 있다. 

 

기존 탄소 캡슐화 기술은 촉매 합성, 열처리 공정 등 여러 단계로 나눠져 공정 자체가 쉽지 않고 대량생산에도 적합하지 않은 단점이 있다. 

 

연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합해 대량생산에 용이한 열처리 단일 공정을 통해 약 1나노미터(10억분의 1미터) 두께의 탄소껍질로 둘러싸인 균일한 백금 나노촉매를 제작하는 데 성공했다. 연구팀은 우선 아닐린이 백금 이온과 항상 일정한 비율로 결합해 화합물을 형성한다는 사실에 주목하고 백금 촉매의 탄소 나노캡슐화에 성공했다. 백금 나노입자 하나하나를 탄소 껍질로 감싸 백금입자의 용해를 막아 내구성을 높인 것이다. 

 

연구팀이 만든 백금 나노촉매는 기존 백금 촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 것으로 분석됐다. 이 촉매를 적용한 연료전지는 수천회 구동했을 때 급격한 성능 저하를 보였던 기존 백금 촉매를 적용한 연료전지에 비해 3만회 구동에도 성능 저하 현상이 일어나지 않았다. 

 

권오중 인천대 교수는 “백금 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하면서 새로운 방법을 제시한 것”이라며 “향후 연료전지 촉매 외에도 다양한 전기화학 응용분야에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 7월 31일자에 게재됐다. 

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