사용량 줄이고 수명 2배 늘린 백금 촉매 개발

KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀

백금촉매별 실제 단위전지 성능평가 결과 (a) Ga-PtNi/C (b) PtNi/C (c) Pt/C. KAIST 제공.

국내 연구진이 수명은 2배 이상 늘리고, 사용량은 대폭 줄인 백금 연료전지 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 이 같은 연구 성과를 거뒀다고 17일 밝혔다.

연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치로 기존 설비를 대체할 수 있다. 연료전지를 주원료로 하는 수소 전기차 1대는 성인 70명이 호흡하는 공기로부터 미세먼지와 초미세먼지를 98% 이상 정화할 수 있어 ‘달리는 공기청정기’로 불린다.

하지만 연료전지에 전극촉매로 사용하는 백금이 고가이다 보니 상용화가 어렵다. 현재 개발된 탄소 담지 백금 나노촉매는 상용화 기준에 못 미치는 산소환원반응 활성과 내구성을 보이는 것도 상용화의 한계로 지적된다.

연구진은 이런 한계를 극복하기 위해 백금과 니켈 합금 촉매를 합성한 뒤 성능을 향상시키기 위해 여러 금속 원소를 도입하는 과정에서 갈륨이 가장 효과적이라는 사실을 발견했다. 이를 토대로 실험을 거듭한 결과 백금-니켈 합금 촉매를 팔면체 형태의 나노입자로 만들고, 그 표면에 갈륨을 첨가해 기존 백금 촉매에 비해 성능을 크게 향상시켰다.

기존 연료전지 촉매들이 대부분 실제 시스템 적용에 실패한 반면, 이번 연구를 통해 제작한 연료전지는 가격을 30% 줄이고, 수명도 2배 이상 향상시켜 실제 적용이 가능하다는 게 연구진의 설명이다.

1저자로 연구에 참여한 임정훈 연구원은 “기존 합성방법으로 제조할 수 있는 백금-니켈 합금 촉매 표면에 갈륨을 첨가해 가열만 하면 촉매가 합성되기 때문에 기존 공정에 쉽게 도입할 수 있고, 대량 생산이 용이해 실용화 가능성이 높다”고 말했다.

조 교수는 “연료전지의 가격을 낮추고 내구성을 향상시켜 수소 전기차, 발전용 연료전지의 시장경쟁력을 확보하는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 에너지기술평가원, 한국연구재단 기후변화대응사업, 국방과학연구소의 지원을 통해 수행됐으며, 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 4월호에 게재됐다.

최두선 기자 balanceds@hankookilbo.com