기자명 문병도 기자
  • 입력 2019.05.30 14:11

이재영 GIST 교수, 김형준 KAIS 교수 공동 연구팀

연구는 담지 금속의 일함수에 따라 탄소층에 전달하는 전자의 양을 조절할 수 있음을 시사하며, 안정한 탄소층을 가진 비귀금속 촉매 설계에 있어 최적의 방향을 제시한다.
담지 금속의 일함수에 따라 탄소층에 전달하는 전자의 양을 조절할 수 있음을 시사하며, 안정한 탄소층을 가진 비귀금속 촉매 설계에 있어 최적의 방향을 제시하고 있다. <사진제공=GIST>

[뉴스웍스=문병도 기자] 이재영 광주과학기술원(GIST) Ertl 탄소비움연구센터 교수와 김형준 한국과학기술원(KAIST) 화학과 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다.

연료전지 공기극 반응인 산소환원반응 성능을 결정짓는 정확한 요인을 각각 실험과 계산화학으로 관찰하였고, 이를 토대로 고성능, 고내구성의 저가 비귀금속 철기반 산소환원반응 촉매를 개발했다.

공기극 산소환원반응은 느린 반응 속도와 함께 높은 과전압이 요구되어 연료전지 효율 향상에 걸림돌로 작용하고 있다.

백금이 가장 적합한 촉매로서 평가받고 있으나 고가이면서 제한된 자원으로 수소전기차 가격경쟁력의 제한요인이다. 가격 경쟁력이 높은 비귀금속 기반의 우수한 성능과 내구성을 보유한 촉매 제조 관련 연구가 주목받고 있다.

비귀금속 촉매 개발에서 가장 중요한 점은 산소환원반응 성능을 결정하는 변수를 찾고 이에 기반한 최적의 촉매를 설계하는 것이다.

변수를 찾아내기 위해서는 전기화학적 실험과 최신계산이론에 근거한 뒷받침이 필요하다.

연구팀은 전기방사법을 통해 다양한 비귀금속 이 담지된 탄소나노섬유 촉매를 제조한 뒤, 이를 활용해 수용액 상에서 산소의 환원반응 성능을 비교하였다.

밀도범함수 이론에 기반하여 제조된 촉매의 구조 및 일함수 등을 계산하였고, 촉매 성능과 상관관계를 갖는 변수 발견을 시도했다.

촉매의 성능은 탄소나노섬유에 담지된 비귀금속의 일함수에 의해 결정됐다.

비귀금속의 낮은 일함수는 근처 탄소층에 전자를 많이 전달하게 되며 이로 인해 산소가 탄소층의 표면에서 더 높은 빈도로 환원할 수 있게 됨을 밝혔다.

결과적으로 철기반의 탄노나노섬유가 최적의 일함수를 가지고, 산소환원반응에 대한 가장 높은 성능을 나타냈다.

연료전지의 수명을 증대시키기 위해 촉매의 내구성도 중요한 요인이다.

높은 성능과 높은 내구성을 모두 만족하는 비귀금속 산소환원반응 촉매를 디자인하는 것이 중요하다.

공동연구팀은 철기반의 탄소나노섬유의 내구성을 극대화시키기 위해서 10%의 코발트를 포함시켜 우수한 가속내구성 평가결과를 확인했다. 

이재영 GIST 교수 및 김형준 KAIST 교수는 “이번 연구는 활성이 있는 것으로 보고되고 있는 철기반 비귀금속 촉매의 내구성 문제를 실험과 계산으로 해결한 것”이라며 “알카라인 수소기반연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

하윤후 KAIST 박사과정생과 강신우 GIST 석사과정생이 주도적으로 참여하고 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 물리화학 분야 세계적 학술지인 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스에 지난 22일자 온라인 판에 게재됐다. 

이재영(왼쪽부터) 교수, 김형준 교수, 하윤후 학생, 강신우 학생 사진제공=GIST
이재영(왼쪽부터) 교수, 김형준 교수, 하윤후 학생, 강신우 학생 <사진제공=GIST>
저작권자 © 뉴스웍스 무단전재 및 재배포 금지