연료전지 백금 내구성 4배 향상

국내 연구진이 수소전기차의 심장이라는 연료전지의 수명을 늘일 단일 열처리 공정을 개발했다. 연료전지의 수명을 좌우하는 비싼 백금 촉매를 탄소껍질로 둘러싸 수명을 4배 이상 늘인 것이다.

한국연구재단은 권오중(인천대), 임태호(숭실대), 성영은(서울대) 교수 연구팀이 연료전지의 핵심요소인 백금촉매의 안정성을 크게 높일 수 있는 탄소 나노캡슐화 기술을 개발했다고 밝혔다.

연료전지가 전력을 생산하는 과정에서 산소의 환원을 돕는 백금은 용해되기 쉬워 연료전지 수명을 늘이는 데 한계가 있었다. 때문에 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 귀금속인 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 높이려는 연구가 활발하다. 연료전지(fuel cell)는 석유 같은 화석연료 대신 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전력을 생산하려는 친환경 발전시스템이다.

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

연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합, 대량생산에 용이한 열처리 단일공정을 통해 약 1나노미터 두께의 탄소껍질로 둘러싸인 균일한 백금 나노촉매를 제작하는 데 성공했다.

기존 백금촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 것으로 나타났고 이를 적용한 연료전지는 3만회 구동에도 성능 저하 없는 높은 내구성을 기록했다. 기존 백금촉매를 이용한 연료전지는 수 천회 구동시 급격한 성능저하로 교체가 불가피했다.

연구팀은 아닐린이 백금 이온과 항상 일정한 비율로 결합하여 화합물을 형성하는 것에 착안하여 백금 촉매의 탄소 나노캡슐화에 성공했다. 백금 나노입자 하나하나를 탄소껍질로 감싸 백금입자가 녹아 나오는 것을 막는 한편 산소는 드나들 수 있도록 하여 촉매활성은 유지하면서 내구성을 높인 것이다.

외부에서 산소의 출입은 원활하도록 하되 내부에서 백금이 빠져나가지 못하도록 함으로써 백금 입자의 손실을 억제한 것이다.

입자 하나하나가 탄소 껍질에 쌓여있는 구조를 가진 백금 나노입자 촉매 (a, b). 열무게 분석을 통한 탄소 껍질의 확인(c). 투과전자현미경 분석과 열무게 분석을 통해 백금 나노입자가 탄소 껍질로 캡슐화됨을 증명했다.

권오중 교수는 “나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용가능하다”며 “향후 연료전지 촉매 외에도 다양한 전기화학 응용분야에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 후속연구 계획을 밝혔다.

교육부·한국연구재단 과학기술분야 이공학 개인기초연구지원사업(기본연구), 기초과학연구원(IBS) 및 현대자동차의 미래기술과제의 지원으로 수행된 이 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 7월 31일 게재되었다.