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인천대-숭실대-서울대 연료전지 수명 4배 늘린 신공정 개발백금촉매 캡슐화시켜 내수성 향상
탄소 껍질을 가지는 백금 나노입자의 형성 방법과 탄소 껍질의 역할을 나타낸 구조도(사진위)와 연구진.(왼쪽부터 권오중 교수, 김영광 연구원, 모한라주 박사, 성영은 교수, 임태호 교수)

[취재]연료전지 수명을 4배 이상 늘릴 수 있는 공정 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 권오중(인천대), 임태호(숭실대), 성영은(서울대) 교수 연구팀이 연료전지의 핵심요소인 백금촉매의 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 탄소 나노캡슐화 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이 기술은 연료전지의 수명을 좌우하는 백금 촉매를 탄소껍질로 둘러싸는 단일 열처리 공정 기술이다.

백금이 연료전지가 전력을 생산하는 과정에서 산소의 환원을 돕는 촉매이지만, 용해되기 쉬운 단점이 있었다.

이에 연구진은 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 귀금속인 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 강화했다.

기존 탄소 캡슐화 기술은 촉매 합성, 탄소 전구체 코팅, 열처리 공정 등 여러 단계로 이뤄져 균일성이 떨어지고 대량생산에도 적합하지 않은 단점이 있었다.

연료전지(fuel cell)는 석유 같은 화석연료 대신 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전력을 생산하는 친환경 발전시스템이다. 수소를 얻기 위해 물을 전기분해하는 과정에서 촉매로 백금을 많이 사용한다.

탄소 껍질이 촉매 내구성을 향상시킴을 증명하는 그래프. 왼쪽은 미국 에너지부에서 제안한 조건과 기준을 바탕으로 반쪽전지 전기화학 내구성을 테스트한 결과물이다. 오른 쪽은 단위전지 전기화학 내구성 테스트 결과물이다. 모두 미국 에너지부에서 제시한 2020년 목표를 뛰어넘는 성능을 보인다.

연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합시키는 방법으로 대량생산에 용이한 열처리 단일공정 처리과정을 만들어 냈다. 1나노미터 두께의 탄소껍질로 둘러싸인 균일한 백금 나노촉매를 제작한 것.

연구팀은 기존 백금촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 늘어났다고 설명했다. 또 이를 적용한 연료전지는 3만회의 구동에도 성능이 저하되지 않았다. 내구성이 뛰어나다는 얘기다.

권오중 인천대 교수는 “나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것”이라며 “이번에 개발한 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용가능하기 때문에 향후 다양한 전기화학 응용분야에도 쓰일 수 있다”고 설명했다.

한편 이 연구는 교육부·한국연구재단 과학기술분야 이공학 개인기초연구지원사업(기본연구), 기초과학연구원(IBS) 및 현대자동차의 미래기술과제의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’(7월31일자)에 게재됐다.

논문명
Highly durable carbon-nanofiber-supported Pt-C core-shell cathode catalyst for ultra-low Pt loading proton exchange membrane fuel cells: facile carbon encapsulation

저자
△권오중 교수(교신저자/인천대학교) △임태호 교수(교신저자/숭실대학교) △성영은 교수(교신저자/서울대학교)△모한라주 카루파난(Mohanranju Karupannan) 박사(제1저자/인천대학교) △김영광 (제1저자/서울대학교) △곡수진(공저자/인천대학교) △이은직(공저자/현대자동차) △ 황지연(공저자/현대자동차) △장지훈(공저자/현대자동차) △조용훈(공저자/강원대학교)

<김영광 연구원(서울대 박사과정)>

◇김영광 서울대 화학생물공학부 연구원(제1저자)

“연료전지 촉매에 대한 연구를 10여 년간 진행하다보니 백금 촉매의 내구성이 가장 중요한 요소라는 것을 알게 됐습니다. 이 때문에 촉매를 연구하게 됐습니다.”

김영광 연구원(서울대 화학생물공학부 박사과정생)은 이번 촉매 단일 공정화의 연구 계기에 대해 이같이 설명했다. 김 연구원은 이번에 히트친 촉매 단일공정 논문에서 제1저자로 등록돼 있다.

“사실 연구 시작은 인천대입니다. 그러나 연구를 진행하면서 다양한 전문가의 필요성을 느끼고 숭실대학교, 서울대학교, 현대자동차 등과의 손발을 맞추게 됐습니다. 각자 잘할 수 있는 분야에 집중하면서 서로 부족한 부분을 보완한 것이죠.”

그동안 탄소 껍질의 도입으로 백금 나노입자의 내구성을 향상 시킬 수 있다는 이론적 배경이나 연구결과는 나와 있었다. 다만 실험을 통한 증명은 완벽하지 않은 상태였다. 이를 연구진이 해결한 것이다.

김 연구원은 “기존에 보고된 실험들이 가지고 있는 불균일한 탄소 껍질 두께 및 기존 합성 방법의 복잡성 문제를 해결했다”며 ‘나아가 이를 연료전지 단계까지 평가를 진행하고 활용 가능성을 미국에너지부에서 제시한 기준까지 끌어 올렸다는 데 의미를 부여할 수 있다“고 말했다.

“실용화까지는 스케일 업을 통한 대량 생산 가능성 타진이 필요하고, 이를 확인하기 위해서는 많은 비용과 시간이 투입되어야 할 것입니다. 또한 후속 연구로 탄소 껍질의 특성제어에 대한 완전한 기술을 확보하기 위한 연구를 진행할 계획입니다.”

박희범 기자  snews@s-news.kr

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