차세대 '알칼라인 연료전지' 효율 높일 대체 촉매 나왔다

2019.11.26 17:42
연구팀이 미세한 나노 구멍이 뚫린 새로운 알칼라인 연료전지 촉매를 만든 과정이다. 산화아연과 코발트를 액체 방울로 만든 뒤 고온 처리해 미세한 입자로 만들고, 여기에 유기물 분자를 도입한 뒤 열처리해 미세한 나노 구멍이 뚫린 촉매를 만들었다. ′응용척매B-환경′ 지 제공
연구팀이 미세한 나노 구멍이 뚫린 새로운 알칼라인 연료전지 촉매를 만든 과정이다. 산화아연과 코발트를 액체 방울로 만든 뒤 고온 처리해 미세한 입자로 만들고, 여기에 유기물 분자를 도입한 뒤 열처리해 미세한 나노 구멍이 뚫린 촉매를 만들었다. '응용척매B-환경' 지 제공

수소와 산소를 반응시켜 전기를 얻는 연료전지인 ‘알칼라인 연료전지’에 사용할 저렴하고 효율적인 촉매가 새로 개발됐다. 알칼라인 연료전지의 상용화에 도움이 될 것으로 기대된다.


한국과학기술연구원(KIST)은 유성종 수소연료전지연구단 책임연구원과 임경민 연구원, 김진수 경희대 교수와 김동휘 연구원팀이 알칼라인 연료전지에 사용할 백금 촉매를 대체할 저가형 탄소 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.


연료전지의 가장 큰 단점은 발전 효율이 떨어진다는 점이다. 산소에 전자와 물을 반응시켜 수산화물(OH-)을 만드는 과정이 필수인데, 이 과정이 느리게 일어나 효율이 낮았다. 이 반응의 속도를 늘리기 위해서는 촉매를 사용해야 하지만 기존의 백금 촉매는 귀금속이라 가격이 비싸고 생산지가 많지 않다.  


연료전지 가운데 염기성 환경에서 작동하는 알칼라인 연료전지는 산성 환경을 피할 수 있다. 백금 대신 탄소나 질소, 전이금속 등 가격이 싸고 부식에 약한 다른 재료를 이용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 하지만 개발된 효율적인 대체 촉매가 없어 비싼 촉매를 이용하다 보니 경제성이 떨어졌다. 기존에 개발된 대체촉매는 부피에 비해 표면적이 좁아 반응이 잘 일어나지 않는 게 단점이다.


연구팀은 탄소를 이용한 대체 촉매를 연구해 이 문제를 해결했다. 먼저 초음파를 이용해 코발트가 섞인 산화 아연으로 구성된 미세한 액체 방울을 만들었다. 가정에서 쓰는 초음파 가습기와 비슷한 원리다. 이렇게 만든 액체방울을 500도의 고온 처리해 공 모양의 입자로 만들었다.

 

그런 다음 입자를 70도에서 하루 동안 냉각시켜 탄소 재료(유기물)인 이미다졸 분자가 결합된 입자를 만들고, 이를 다시 800도 고온 처리했다.  이런 방식으로 마치 스펀지처럼 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 구멍이 무수히 뚫린 ‘금속유기골격체(MOF)’라는 구조를 만들었다.

 

이 물질은 부피에 비해 표면적이 매우 넓어 반응이 쉽게 일어나도록 촉진하는 역할을 했다. 연구팀은 공업용 스프레이를 이용해 미세 입자를 만드는 방법으로, 기존 백금촉매보다 성능은 40% 높으면서 가격은 훨씬 싼 MOF 촉매를 대량생산하는 데 성공했다.


유 책임연구원은 “연료전지 촉매 외에 흡착제와 배터리 등 분야에 다양하게 응용될 것”이라고 말했다. 연구 결과는 촉매 분야 국제학술지 ‘응용촉매 B-환경’지 1월호에 발표될 예정이다.
 

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

작성하기

    의견쓰기 폼
    0/150