기초과학연구원(IBS)은 7일 나노입자 연구단(단장 현택환)이 백금함량은 절반으로 낮추면서 발전효율성과 안정성을 동시에 높인 수소연료전지 촉매를 개발했다고 밝혔다.
연구진은 나노촉매에 1nm 이하의 얇은 탄소원자막을 입혀 촉매의 활성을 유지한 것이 이번 연구결과의 핵심기술이라고 밝혔다.
안정적인 촉매 합금 제작에는 고온의 수소 열처리가 필요하다. 하지만 이 과정 중에 수 나노미터의 나노입자가 수십 나노미터 크기로 뭉쳐져 활성 효율을 떨어뜨린다.
또 수 나노미터의 입자로 구성된 나노합금을 만들어도, 고열의 연료전지 구동환경에서 쉽게 변형돼 본래의 기능을 상실한다는 것이 문제점으로 작용했다.
연구팀은 백금과 철로 이루어진 나노합금 표면에, 도파민 고분자를 도포한 뒤 열처리해 탄소원자막을 생성했다. 이 막이 촉매를 잡아줘 입자들의 움직임과 촉매 간 합성을 억제했다.
연구팀이 개발한 물질은 수소연료전지의 환원극 활성 촉매로 사용되며, 백금량 당 발전량이 기존 대비 10배 상승하는 결과를 보였다.
특히 백금과 철 나노입자를 합금하는 방법으로 백금사용을 절반으로 줄여, 연료전지의 단가를 대폭 낮추었다. 성능 면에서도 뚜렷한 향상을 보였다. 1만회의 구동했을 때 성능 저하가 나타나지 않았다. 상용화 연료전지 시스템에서 100시간 구동했을 때도 단 3%의 성능 저하만이 나타났다.
이번 연구를 주도한 성영은 IBS 그룹리더는 “저비용, 고성능, 고안정성의 특성을 모두 만족 시키는 촉매를 제작했다”며 “이로써 수소연료전지를 탑재한 차량의 보급 확대와 향후 연료전지 기반 사업의 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구결과는 화학분야 학술지 미국화학회지(JACS) 12월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sed.co.kr
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