저렴한 알칼리 연료전지용 촉매 개발, 대량생산 통해 상용화 앞당긴다
저렴한 알칼리 연료전지용 촉매 개발, 대량생산 통해 상용화 앞당긴다
  • 한국과학경제
  • 승인 2019.11.26 17:52
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기존 고가의 백금 촉매 대체 가능한 금속유기골격체(MOF)계 탄소 촉매 개발
성능 및 대량생산성으로 상용화 기대, 향후 차세대 비 백금계 촉매 연구 기여
(a) 스프레이 열분해 공정 (Ultrasonic spray pyrolysis) 모식도(b) 개발된 중공 입자 구조 촉매의 합성 과정
(a) 스프레이 열분해 공정 (Ultrasonic spray pyrolysis) 모식도(b) 개발된 중공 입자 구조 촉매의 합성 과정
(a) 제조된 촉매와 상용 촉매 산소화원반응 결과(b) 알칼라인 연료전지 구동 시 성능 결과
(a) 제조된 촉매와 상용 촉매 산소화원반응 결과(b) 알칼라인 연료전지 구동 시 성능 결과

 

한국과학경제=이수근 기자】 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 경희대학교 김진수 교수와의 공동연구를 통해, 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체할 수 있는 저가형 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매는 대량생산이 가능하여 알칼라인 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하며 이산화탄소나 질소산화물 등 공해물질의 배출 없이 물만 배출하는 친환경 발전장치이다. 하지만 연료전지에서 일어나는 반응(산소환원반응)이 느린 속도로 일어나기 때문에 이 속도를 빠르게 하는 역할을 하는 촉매는 연료전지의 발전 효율을 증가시킬 수 있는 핵심이다. 따라서 성능을 올리기 위해서는 촉매의 역할이 굉장히 중요한데, 주로 백금계열 촉매가 사용돼왔다.

그러나, 귀금속인 백금계열 촉매는 가격이 비싸고 특정 지역에서만 생산되는 한계를 갖고 있었다. 백금 소재를 대체하고자 금속이나 질소가 첨가된 탄소계 촉매에 관한 연구들이 활발하게 진행 중이다. 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 효율을 보이지만, 그 원리를 정확히 알지 못한다는 문제점 등이 있어 실제 알칼라인 연료전지를 구동할 수는 없었다.

KIST 연구진은 백금을 대체할 촉매로 차세대 촉매로서 꾸준히 보고되었으나, 낮은 생산 수율과 후처리 공정 문제 등 상용화에 어려움을 겪고 있는 금속유기골격체(Metal Organic Frameworks)를 활용했다.

KIST-경희대학교 공동연구진은, 스프레이 열분해법을 통해 코발트 및 질소가 도핑된 MOF계 촉매를 개발했다. 스프레이 열분해법은 연속적인 공정으로 대량생산이 가능하고 공업용 가습기를 이용해 입자를 만들기 때문에, 필요한 구조의 입자를 쉽게 제조할 수 있었다. 개발된 촉매는 상용 백금 촉매보다 40% 성능이 향상되었다.

KIST 유성종 박사는 “이 연구는 스프레이 열분해법의 도입으로 MOF계열 촉매의 성능 향상뿐만 아니라 MOF재료의 대량생산의 가능성을 가지고 있어 연료전지 산소환원반응 촉매 분야 및 흡착제, 배터리 분야 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 결정기능화공정기술센터(ERC)사업으로 수행되었으며, 경희대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 에너지환경 분야 국제저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재되었다.

■용어설명

*알칼라인 연료전지 (Anion-exchange membrane fuel cell) : 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환장치로써, 에너지 발생 단계에서 물밖에 배출하지 않는 친환경 에너지원으로 조명받고 있다.

*산소환원반응 (Oxygen reduction reaction) : 산소에 전자와 물을 반응시켜 수산화물을 생성하는 환원 반응(O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-).

*Metal Organic Framework (MOF) 구조 : 금속이온과 유기 리간드가 결합하여 형성한 나노 기공 결정으로 높은 비표면적을 가지는 재료.


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