국내 연구진이 매장량이 풍부한 광물을 활용해 수소 연료전지 촉매제 개발에 성공했다. 귀금속인 기존 백금 소재와 비교해 1000분의 1 수준 가격이다.
KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 POSTECH 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하고, 해당 소재의 고활성 작용원리를 규명하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.
수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.
공동연구팀이 개발한 백금 대체 촉매는 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’다. 새롭게 개발한 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다.
KAIST에 따르면 이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC) 뿐만 아니라 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)에도 적용할 수 있다.
조은애 교수는 “기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”라고 설명하며, “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높이는데 성공했다”라고 말했다.
연구 결과는 미국화학회 촉매 분야 저명 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 2023년 7월 3일자 온라인판에 출판됐다. 또한 해당 학술지 보조 표지 논문(Supplementary front cover)로 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
