대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 유종성 에너지공학전공 교수 연구팀이 기존 백금 연료전지 촉매보다 안정성이 더욱 향상된 신개념 전극 촉매 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.
수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금이 전극 촉매로 사용된다. 하지만 연료전지가격의 40% 이상을 차지하는 백금의 비싼 가격과 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않다.
이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위한 연구가 활발하다. 이 가운데 전이금속인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰인다. 하지만 전이금속 특성 상 높은 전압과 산성 상태에 취약해 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
연구팀은 매장량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목했다. 백금과 결합하면 높은 안정성을 가진 합금 촉매 제작이 가능할 것으로 판단했다.
마그네슘의 쉽게 산화되는 특성 때문에 백금과 합성이 어려운 점을 해결하고자 마그네슘 금속을 전구체로 사용하는 합성법을 고안했다. 이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후, 수소·아르곤 혼합가스에서 650도 고온 열처리를 진행했다. 이때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성됐다.
완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행하자 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43A/㎎으로, 기존 백금 촉매 활성도인 0.16A/㎎보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다. 또 미국 에너지부 기준 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다.
유종성 교수는 “이번 연구는 값비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선한 값진 성과다. 촉매 합성법도 간단해 수소연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 DGIST 에너지공학전공 임마뉴엘 밧차 테테 석사졸업생과 이하영 석박사통합과정생 등이 참여했다.
연구성과는 최근 전기화학촉매 분야 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
