우리 연구진이 알칼리 연료전지(AFC)용 새로운 단일 원자 촉매를 상용화 수준으로 양산하는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 김남동 기능성복합소재연구센터 연구원, 유성종 수소·연료전지연구센터 연구원팀이 전기 용접에 주로 쓰이는 아크방전을 활용, 한 단계 반응만으로 저렴하면서 성능도 높은 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
AFC는 에너지 발생 단계에서 물만 배출해 차세대 친환경 에너지원으로 주목받는다. 보통 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 고가에다 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성한 단일 원자 촉매가 차세대 촉매로 주목받는다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 이 때문에 촉매 성능이 저하돼 상용화에 어려움이 있었다.
개발 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능, 10배 이상 내구성을 가진다. 연료전지 적용 시 기존 코발트 기반 촉매 활성도 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다.
연구진은 아크방전 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해됐다가 재결합하는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞어 아크방전 과정을 거치면 금속이 분해됐다가 고결정성 나노탄소 격자 안에 채워지며 결합하는데, 이때 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있다.
연구팀은 이런 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다.
김남동 연구원은 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매 성능과 내구성을 향상시키면서 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라며 “향후 차세대 알칼리 연료전지 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행됐다. 관련 논문은 재료 분야 국제 학술지인 'Small Methods'(IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지 논문으로 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
