포항가속기연구소(PAL·소장 고인수)는 안도천 박사팀과 한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진) 유성종 박사팀이 공동연구를 통해 새로운 구조의 팔라듐 입자를 합성해 신개념 촉매제 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.
세계는 화석연료의 고갈과 기후변화의 원인인 대기오염을 해결하기 위해 수소자동차 개발과 투자에 매진하고 있다. 수소자동차 연료전지의 주요 소재는 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산시키는 촉매제이다.
현재까지 백금이 주요 촉매제로 사용되어왔다. 하지만 친환경 에너지사업이 확대되면서 백금가격은 6년간 사상 최대치를 갱신하고 있다. 원료값이 비싼데도 불구하고 널리 사용되고 있는 이유는 팔라듐, 로듐 등 다른 물질들보다 가격 대비 성능이 우월하기 때문이다.
연구팀은 팔라듐-니켈-질소 나노입자 촉매제를 개발했다. 현재 매장량에 한계가 있는 백금을 대체할 물질에 대한 연구가 이어지고 있지만 백금의 산소환원반응 활성과 내구성을 따라가기에는 어려웠다. 특히 팔라듐은 백금과 같은 주기율표의 같은 그룹에 속하는 금속으로 성질이 비슷해 그동안 많은 연구가 수행됐지만 산성 전해질에 매우 취약해 가장 높은 성능을 갖는 구조인 초 격자 구조 구현이 어려웠다.
연구팀은 최적 비율의 팔라듐-니켈 나노입자를 합성하고 특수조건에서 후처리를 통해 질소와 결합한 팔라듐-니켈-질소 나노입자를 합성했다. 또 포항가속기연구소 PLS-II 9B 빔라인의 방사광 구조분석(X-선 고분해능 분말회절 기법)을 통해 분석한 결과, 가장 이상적인 결정구조인 초격자 구조를 가짐과 동시에 전해질에 매우 안정된 촉매임을 확인했다. 팔라듐-니켈-질소 나노입자는 상용 팔라듐 촉매보다 약 99배의 높은 안정성을 보였으며 내구성 테스트 결과 세계 최고 수준의 산소 환원 반응 촉매 성능을 보였다.
과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업과 한국재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행된 이번 연구성과는 최근 세계적인 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 뒤표지(Back cover) 논문으로 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
