높은 개발

2022년 5월 13일

국립과학기술연구회

수소전기차(FCEV)는 내연기관차를 대체할 친환경 이동수단이다. FCEV는 짧은 충전시간과 긴 주행거리 등 여러 가지 장점을 갖고 있습니다. 그러나 연료전지 촉매로 사용되는 백금 가격이 너무 높아 수소전기차 공급이 제한되는 상황이다. 백금을 대체할 철, 코발트 등 비귀금속 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 비귀금속 촉매의 성능과 안정성이 낮아 백금을 대체할 촉매를 찾는 것은 여전히 ​​어려운 일이다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 김진수 경희대학교 교수, 임형규 강원대학교 교수와 공동연구를 진행했다. 현대 코발트 나노입자 촉매에 비해 성능과 안정성이 약 40% 향상된 단일 원자 코발트 기반 촉매를 개발했다고 발표했다. 그들의 연구는 Applied Catalytic B: Environmental지에 게재되었습니다.

기존 촉매는 일반적으로 열분해를 통해 합성되는데, 이때 전이금속 전구체와 탄소가 혼합되는 온도는 700~1000℃입니다. 그러나, 이 공정을 통해 얻은 촉매는 금속 응집과 낮은 비표면적 때문에 활성이 제한적이었다. 따라서 연구자들은 단일 원자 촉매를 합성하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 기존에 보고된 단일원자 촉매는 합성촉매의 종류에 따라 사용되는 화학물질과 합성방법이 다르기 때문에 소량만 생산할 수 밖에 없었다. 따라서, 연구는 제조 공정보다는 촉매의 성능 향상에 중점을 두고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 산업용 가습기를 이용한 분무열분해 방식을 구현하였다. 가습기에서 얻은 액적을 급속 열처리하여 액적 형태의 입자를 얻었다. 이를 통해 지속적인 공정을 통해 대량생산이 가능하며, 어떠한 금속이라도 쉽게 입자화할 수 있습니다. 금속입자 합성에 사용되는 물질은 산업용 가습기를 통해 입자가 만들어지기 때문에 수용성이어야 한다.

이번 공정을 통해 개발된 코발트 기반 단일원자 촉매는 연료전지 성능은 물론 안정성도 우수하며, 기존 코발트 촉매 대비 40% 우수한 성능을 보이는 것으로 확인됐다. 코발트 기반 촉매는 연료전지에서도 부반응을 일으킨다. 그러나 전산 과학은 분무 열분해를 통해 제조된 촉매가 연료 전지에서 순방향 반응을 유도한다는 것을 보여주었습니다.

유 박사는 “이번 연구를 통해 코발트 기반 단일원자 촉매의 대량생산을 대폭 향상시킬 수 있는 공정이 개발됐고, 정밀 분석과 전산을 통해 코발트 기반 촉매의 작동 메커니즘이 해명됐다”고 밝혔다. 이번 결과는 향후 코발트 촉매 연구에 지표가 될 것으로 기대된다”고 말했다. 이어 “향후 연구 범위를 확대해 연료전지용 촉매뿐 아니라 환경촉매, 수전해, 배터리 분야까지 탐구할 계획”이라고 덧붙였다.

추가 정보: 임경민 외, 효율적인 전기촉매로서의 Co-NC 설계: 양성자 교환막 연료전지의 놀라운 내구성을 위한 독특한 구조와 활성 부위, 응용 촉매 B: 환경(2022). DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121220

국립과학기술연구회 제공