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100만번 사용해도 성능저하 無…성능·내구성·가격잡은 ‘연료전지 촉매’ 개발

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- 에너지硏, 수명 극대화한 코어-쉘 구조 전극촉매 개발

- 상용 백금 촉매 대비 성능 2배, 내구성 5배 이상 향상

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이번 연구 성과게 게재된 국제학술지 '에이씨에스 카탈리시스' 표지. 그림은 다양한 압력 조건(1, 40, 80 기압)에서 가압 질화 처리 공정을 통해 제조된 코발트(파란색)와 백금(흰색) 코어-셸 구조 전극촉매를 나타내고 있다. [한국에너지기술연구원 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 탄소중립 및 수소사회로 전환이 가속화되면서 수소를 활용하는 연료전지가 다양한 분야로 확대되고 있다. 자동차‧모바일‧건물‧발전용 등 다양한 분야에서 연료전지는 본격적인 양산을 앞두고 있고, 현대자동차와 도요타자동차는 수소전기자동차의 본격적인 상용화를 시작한 상황이다.

하지만 연료전지 시스템의 핵심 부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금·팔라듐 등 귀금속 가격은 가파른 폭으로 상승하고 있다. 연료전지 스택 비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 성능 향상과 가격 저감은 여전히 해결해야 할 숙제로 남아 있다.

한국에너지기술연구원 연료전지연구실 박구곤 박사 연구팀은 미국 브룩헤이븐국가연구소, 센트럴 미시간대와 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어(core)-셸(shell) 구조 촉매기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

마치 달걀의 노른자(코어)를 감싸고 있는 흰자(셸)와 같은 코발트-백금 구조의 촉매기술을 통해 기존 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상됨을 확인했다. 이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 화학 분야 국제 학술지 ‘에이시에스 카탈리시스’ 5월 7일자 표지 논문으로 게재됐다.

연구진은 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자 형태로 1~2개층을 이뤄 감싸고 있는 코어-셸, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.

특히 2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법 대신, 초음파 기반 반응 공정을 통해 간단하게 코어-셸 구조 전극촉매 제조가 가능한 방법이다. 이 같은 간단한 초음파 방법을 통해 코어-셸 구조의 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조 가능하며 현재는 50g 수준 제조 시에도 우수한 재현성으로 확보할 수 있음을 입증했다.

또한 전이금속의 용출 문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매 제조에 가압 질화 공정을 도입했다. 연구진은 분자 역학 시뮬레이션을 활용해 열처리하는 동안 다양한 압력 조건의 암모니아 가스 분위기에서 촉매 입자들이 서로 응집되는 과정과, 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어 물질로 도입되는 질화 과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다.

전자현미경, 원소 분석, X-선 광전자 분광법 분석 결과를 바탕으로 질화 과정에서 압력이 증가할수록 코발트 코어의 질화 수준이 증가하고 이로 인해 코어-셸 전극촉매가 지닌 내구성도 비례해서 향상됨을 확인했다. 특히 질화 수준이 가장 높은 코어-셸 코발트-백금 합금촉매의 경우, 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다. 이를 통해 팔라듐과 같은 귀금속 코어 물질을 사용하지 않고도 백금 사용량은 극소화하며 성능과 수명을 획기적으로 증대시키는 새로운 방법이 개발된 것이다.

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가압 질화 처리를 위해 코어셸 촉매를 장치에 넣고 있다. [한국에너지기술연구원 제공]

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이번 연구에서 개발한 전극촉매는 미국 에너지부(DOE)의 가속열화 성능평가 기준인 3만사이클을 넘어서 100만사이클의 수명평가에서도 코어-셸 구조와 상당 부분의 활성 면적을 유지하는 장기 안정성을 보여주고 있다.

박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-셸 전극촉매 제조 및 가압 질화 공정을 통한 촉매의 내구성 기술 확보는 본격적인 연료전지의 상용화를 앞둔 시점에서 가격경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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