[뉴스웍스=문병도 기자] 김건태 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 고체산화물 연료전지의 핵심인 고성능 복합 용출 촉매를 개발했다.

연료전지란 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 변환 장치다.

배터리와는 달리 연료가 공급되는 한 재충전 없이 계속해서 전기를 생산할 수 있고, 반응 중 발생된 열은 온수생산에 이용되어 급탕 및 난방으로 가능하다. 전력 사용이 많은 도심 인근에 소규모로 설치해도 에너지 효율이 높아 많은 양의 전기와 열을 생산해 인근 지역에 제공한다. 미세먼지의 주요 물질인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 분진 등이 발생하지 않아 진정한 의미의 친환경 분산 발전원이다.

연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 성능을 결정하기 때문에, 고성능 촉매 개발이 필수적이다.

김 교수팀은 기존 용출 촉매 대비 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다. 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소간 비율을 계산 모델링으로 알아낸 덕분이다.

최적화된 원소 종류와 그 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매표면으로 잘 용출 될 수 있는 유리한 환경이 된다.

현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조를 갖는다. 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비하여 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.

김현민 에너지화학공학과 석‧박사통합과정은 "일반 페로브스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시켰다"라며 "기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략"이라고 말했다. 

개발된 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 활용해 수소 연료를 주입했을 경우 섭씨 700도에서 200시간 동안 약 0.5 W/㎠의 전력을 안정하게 생산했다. 

김건태 교수는 "환원 분위기에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있다"라며 "개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

산업통상자원부와 한국연구재단의 지원으로 수행되고 한정우 포항공대 교수팀, 최시혁 금오공대 교수팀이 참여한 이번 연구 결과는 저명 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 24일자 온라인 판에 공개됐다.