| |  | | | ▲ 이번 연구를 주도한 함형철 박사(왼쪽)와 유성종 박사 |
[가스신문=남영태 기자] 한국과학기술연구원 유성종, 함형철 박사팀이 기존 순수 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하면서 안정성은 백금 수준 이상인 합금 촉매를 개발함에 따라, 향후 연료전지 내구성 향상으로 수명 연장에 기여할 것으로 전망된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 연료전지연구센터 유성종, 함형철 박사팀이 양자역학 계산과 나노 촉매 합성 기술을 사용해, 백금을 대체할 수 있는 이리듐 기반 합금 촉매를 개발했다고 7일 밝혔다. 현재 고분자전해질연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 촉매를 사용해왔다. 그러나 비싼 가격과 소재 자체의 안정성에 대한 단점이 있었다. 특히 연료전지용 소재는 장시간 산성 환경에 노출되는데, 백금은 촉매 전체의 내구성을 감소시켜 안정성 측면에서도 한계를 가지고 있었다. 이에 KIST 연구팀은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 이리듐을 활용해, 다양한 전이금속을 첨가하고 촉매 내부 및 표면의 원자 분포를 변화시켰다. 또 촉매 성능과 내구성을 양자역학 계산을 사용해 예측한 결과, 촉매 내부에 크롬이 주입된 이리듐 포면 단층 촉매가 산소 친화력을 감소시키고 내구성을 향상시켜 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 특히 연구팀은 연료전지 촉매로는 거의 사용하지 않았던 이리듐을 원자 및 전자 레벨 수준에서 표면과 내부 전자 구조 제어기술로 크롬 합금 촉매에 사용하게 되면 안정성 및 활성이 증가해, 연료전지용 촉매 소재로 활용이 가능한 것도 입증했다고 설명했다. 그 결과, 기존 순수 이리듐에 비해 성능은 약 12배 이상 증가하고, 안정성은 백금 수준 이상으로 향상됐다는 점을 확인했다고 덧붙였다. 함형철 KIST 박사는 “이번 연구는 연료전지 촉매 소재의 활성과 내구성 향상에 대한 원리 규명 및 초고속 후보 물질의 탐색에 있어, 양자 역학 계산의 중요성을 확인해 준 결과”라고 말했다. 또 유성종 KIST 박사는 “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 촉매분야의 국제 학술저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental) 최신호에 온라인 게재됐다. | |   | | | ▲ ORR용 양자 계산적 촉매 설계 원리(왼쪽)와 전기화학적 실험 증명 자료 |
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