백금촉매 탄소캡슐화 기술 개발...연료전지 수명 4배 연장 가능

왼쪽부터) 권오중 인천대 교수, 임태호 숭실대 교수, 성영은 서울대 교수
<왼쪽부터) 권오중 인천대 교수, 임태호 숭실대 교수, 성영은 서울대 교수>

국내 연구진이 '수소전기차 심장'으로 불리는 연료전지의 수명을 4배 이상 늘릴 수 있는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 권오중 인천대 교수, 임태호 숭실대 교수, 성영은 서울대 교수 연구팀이 연료전지의 핵심요소인 백금촉매의 안정성을 크게 높일 수 있는 탄소 나노캡슐화 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연료전지는 수소를 연료로 전기와 물을 생산하는 친환경발전 시스템이다. 전력 생산 과정에서 산소의 환원을 돕는 촉매가 반드시 필요하다. 주로 백금이 쓰이는데 용해되기 쉬워 연료전지 수명을 늘이는 데 한계로 작용했다. 이 때문에 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 귀금속인 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 높이려는 시도가 이어졌다. 하지만 탄소를 감싸는 캡슐화 기술은 촉매 합성, 탄소 전구체 코팅, 열처리 공정 등 여러 단계로 이뤄져 균일성이 떨어지고 대량생산에도 적합하지 않아 성과가 따르지 못했다.

연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합, 대량생산에 용이한 열처리 단일공정을 통해 약 1나노미터 두께의 탄소껍질로 둘러싸인 균일한 백금 나노촉매를 제작했다.

연구진은 백금-아닐린 금속 착물을 탄소 나노섬유에 코팅해 백금 나노입자와 탄소 껍질을 동시에 형성했다. 탄소 껍질이 백금의 용해를 막고 산소는 선택적으로 투과된다. 반응 활성은 유지하고 내구성을 개선할 수 있는 구조임을 제시했다.
<연구진은 백금-아닐린 금속 착물을 탄소 나노섬유에 코팅해 백금 나노입자와 탄소 껍질을 동시에 형성했다. 탄소 껍질이 백금의 용해를 막고 산소는 선택적으로 투과된다. 반응 활성은 유지하고 내구성을 개선할 수 있는 구조임을 제시했다.>

아닐린이 백금 이온과 항상 일정한 비율로 결합하여 화합물을 형성하는 것에 착안했다. 백금 나노입자 하나하나를 탄소껍질로 감싸 백금입자가 녹아 나오는 것을 막는 한편 산소는 드나들 수 있도록 해 촉매활성을 유지하면서 내구성을 높였다.

실험을 통해 기존 백금촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 것을 확인했다. 이를 적용한 연료전지는 3만회 구동에도 성능 저하 없는 높은 내구성을 기록했다.

기존 백금촉매를 이용한 연료전지는 수천회 구동시 급격한 성능저하로 교체가 불가피했다.

권오중 교수는 “나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용가능하다”고 말했다.

권 교수는 “연료전지 촉매 외에도 다양한 전기화학 응용분야에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 교육부·한국연구재단 과학기술분야 이공학 개인기초연구지원사업, 기초과학연구원(IBS), 현대자동차의 미래기술과제 지원으로 수행했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스에 최근 실렸다.

최호 정책기자 snoop@greendaily.co.kr

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