수소와 산소를 물과 전기로 전환하는 연료 전지에서 백금은 전기 화학 반응에 있어서 타의 추종을 불허하는 활동성과 안정성을 제공하는 필수 소재다.

백금은 은이나 금보다 귀해 연구자들은 백금을 덜 사용하는 실용적인 연료 전지 촉매를 개발하는데 관심을 기울여 왔다.

미국 에너지부(Department of Energy, DOE) 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)가 사이언스(Science) 저널 11월 8일자에 발표한 새로운 연구에서 과학자들은 백금의 유효성을 극대화해 현재 보다 백금을 1/4 정도 사용하는 새로운 촉매제를 제시했다.

연료 전지에서 백금은 수소를 양성자와 전자로 전환시키고 산소 결합을 파괴해 물을 형성하는 두 가지 방법으로 사용된다. 후자의 반응인 산소 환원 반응은 특히 다량의 백금이 필요하다. 과학자들은 산소 환원 촉매에서 백금 함량을 줄이는 방법을 연구하고 있다.

아르곤의 과학자들은 백금 사용을 개선 할 수 있는 방법을 발견했다. 첫째, 촉매의 가용성과 반응성을 극대화하기 위해 백금의 모양을 조정했다. 이러한 구성에서, 순수 백금 원자의 몇 개의 층은 코발트 – 백금 합금 나노 입자 코어를 덮어 코어 – 쉘 구조를 형성한다.

아르곤의 화학자 디지아 류(Di-Jia Liu)는 “처음에 매우 적은 양의 백금을 받았다면 그걸 최대한 활용해야 한다”며 “백금 – 코발트 코어 – 셀(platinum-cobalt core-shell) 합금을 사용하면 더 많은 수의 촉매 활성 입자를 촉매 표면에 퍼지게 할 수 있지만 이것은 단지 첫 번째 단계 일 뿐”이라고 말했다.

연료 전지가 전류를 만들 때 코어-셸 나노 입자는 여전히 자체적으로 산소의 대량 유입을 처리 할 수 ​​없었다. 류와 그의 동료 연구자들은 촉매의 효율을 높이기 위해 코발트 – 백금 합금 나노 입자에 대한 지지체로서 촉매적으로 활성 백금족 금속(PGM free)이 없는 기판을 생산해 과거 연구에서 잘 알고 있는 다른 접근법에 의존했다 .

류와 그의 동료들은 전구체로서 금속 유기 프레임워크를 사용해 촉매 활성 중심이 백금 – 코발트 입자 근처에 균일하게 분포한 코발트 – 질소 – 탄소 복합체 기판을 제조 할 수 있었다.

이러한 활성 센터는 스스로 산소 결합을 파괴 할 수 있고 백금과 함께 시너지 작용을 할 수 있다.

류는 “분자 풋볼 팀 같다고 생각할 수 있다”며 “코어 – 셸 나노 입자는 수비 라인처럼 필드 전체에 얇게 퍼져 같은 시간에 너무 많은 산소 분자를 다루려고 하는 것처럼 행동한다. 우리가 한 일은 ‘필드’ 자체를 촉매 활성화해 산소 태클을 돕는다”고 설명했다.

결과적으로, 새로 결합된 촉매는 성분을 단독으로 사용했을 때와 비교해 활성을 향상 시켰을 뿐만 아니라 지속성을 향상 시켰다. 온도가 상승함에 따라 코발트 원자의 일부는 유기물과 상호 작용해 PGM가 없는 기판을 형성하는 반면 다른 기판은 잘 분산된 작은 금속 클러스터로 기판 전체로 환원된다.

가열냉각(annealing, 어닐링) 후 백금을 첨가하면 백금 – 코발트 코어 – 셸 입자 형성되고 PGM없는 활성장에 의해 둘러 쌓인다.

궁극적 목표는 수소 연료 전지 촉매에서 백금을 완전히 제거하는 것이지만, Liu는 현재 연구가 비용 효과적인 방법으로 연료 전지 촉매 활성과 내구성 모두를 다루는 새로운 방향을 제시한다고 말했다.

류는 “새로운 촉매는 기존의 자동차 촉매 변환기에 사용되는 것과 비슷한 초 단량의 백금 만 필요로 하기 때문에, 그것은 백금 공급망과 시장을 방해하지 않으면 서 기존의 내연 기관에서 연료 전지 차량으로의 전환을 용이하게 하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했다.

연구는 아르곤 국립연구소 ‘Advanced Photon Source Nanoscale Materials Center’에서 수행한 전산 모델링 및 고급 구조 특성 분석을 포함했다.

*논문 : Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks
*저자 : Lina Chong1, Jianguo Wen2, Joseph Kubal2,3, Fatih G. Sen2, Jianxin Zou4, Jeffery Greeley3, Maria Chan2, Heather Barkholtz1, Wenjiang Ding4, Di-Jia Liu1,

1Chemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, Lemont, IL 60439, USA.
2Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, Lemont, IL 60439, USA.
3Davidson School of Chemical Engineering, Purdue University, 480 Stadium Mall Drive, West Lafayette, IN 47907, USA.
4National Engineering Research Center of Light Alloys Net Forming and State Key Laboratory of Metal Matrix Composite, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China.

*참고 : 미국 아르곤 국립연구소(www.anl.gov), Science(http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1276).