촉매 성능 결정인자 진단 가능…수소연료전지 상용화 기여
광주과학기술원(GIST)은 최창혁 신소재공학부 교수팀이 수소연료전지 상용화에 기여할 수 있는 비귀금속계 촉매 성능평가기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
수소연료전지에 주로 사용하는 촉매인 백금은 귀금속으로 높은 가격과 희소성이 상용화의 큰 걸림돌이었다. 이를 대체할 수 있는 저렴한 촉매연구가 활발하다. 철·질소·탄소로 구성된 단원자 철 기반의 촉매가 효율적인 산소환원반응 촉매로 주목받고 있다. 하지만 단원자 촉매의 성능 진단기술이 없어 촉매 성능의 주요 결정인자인 활성점 밀도(촉매 표면에서 반응물질이 촉매 작용을 받는 부위의 밀도)와 전환빈도(반응물이 촉매의 활성점당 단위 시간당 반응하는 분자의 수) 파악에 어려움을 겪고 있다.
최 교수팀은 철 기반 단원자 촉매에 사이안화 이온(CN-)이 비가역적으로 흡착할 수 있다는 점에 착안, 촉매 성능 결정인자인 활성점 밀도 및 전환빈도를 측정하는 기술을 고안했다. 특수한 반응기를 이용해 철 기반의 단원자 촉매에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착했다. 이때 흡착된 사이안화 이온의 양을 자외-가시선(UV-Vis) 분광법으로 정량화한 동시에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착한 촉매의 산소환원 반응성 감소량을 측정했다. 촉매 활성점 밀도와 전환빈도를 성공적으로 도출하는 데 성공했다. 다른 전이금속, 귀금속 기반의 단원자 촉매와 상용으로 널리 이용되는 백금 촉매의 성능 결정인자를 도출함으로써 개발한 진단기술의 범용성을 입증했다.
최창혁 교수는 “최근 상용화에 근접한 철 기반 단원자 촉매의 성능평가 원천기술을 확보하였다는데 가장 큰 의미가 있다”면서 “추후 해당 기술을 활용해 고활성을 가지는 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 미래소재디스커버리사업, 개인기초연구사업(신진), 한국과학기술연구원의 지원을 받아 이뤄졌으며 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 '오픈어세스 미국화학회지'에 최근 온라인 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
