철·질소·탄소 촉매 내구성 강화, 수소연료전지 상용화 가능성 ↑
왼쪽부터 오형석 KIST 박사, 최창혁 포스텍 화학과 교수, 배근수 공동1저자, 김민호 KAIST 공동1저자, 김형준 화학과 교수. 포스텍 제공.
수소와 산소만으로 전기를 만드는 수소연료전지의 양극은 촉매 물질로 덮여있다. 촉매 성능이 좋은 금속은 비싸고 저렴한 비귀금속 물질은 내구성이 떨어진다. 포스텍 연구팀이 내구성과 경제성을 모두 개선한 수소연료전지 촉매를 만들었다.
포스텍은 최창혁 화학과 교수, 김형준 KAIST 화학과 교수, 오형석 KIST 박사 연구팀이 국제학술지 ‘네이처 칼라리시스’에 수소연료전지의 내구성을 높이는 합성 전략을 제시했다고 6일 밝혔다.
철을 기반으로 한 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매는 값비싼 귀금속 대신 쓰이고 있지만, 수소차 등에 적용하면 촉매의 열화현상으로 연료전지의 성능이 급격히 저하된다는 문제가 있다.
연구팀은 수소연료전지 구동 중 실시간으로 전극의 열화를 모니터링하는 질량 분석기(ICP-MS) 기반 분석 시스템을 이용해 촉매의 변화를 추적했다. 그 결과 전지에 전압이 가해지면 촉매를 구성하는 철 이온이 전해질 속으로 용출됐다. 그로 인해 활성점(촉매에서 화학반응을 촉진하는 부분) 금속인 철의 밀도가 급격하게 감소하며 촉매의 안정성이 낮아지고 전지에 흐르는 전류량이 감소했다.
연구팀은 전지 온도와 기체 조성, 산성도(pH) 등의 조건이 철의 용출과 전지 성능에 미치는 영향도 분석했다. 그 결과 온도와 산성도는 용출되는 철의 양을, 기체 조성은 용출된 철 이온의 상을 결정하는 데 큰 역할을 했다.
이를 바탕으로 연구팀은 철-질소-탄소 촉매의 내구성을 높이는 합성 전략을 제시했다. 철 이온 주변에 안정제 금속 이온을 도입해 활성점 금속인 철의 용출을 효과적으로 완화한 것이다. 연구팀은 이를 수소연료전지 양극에 적용해 전지의 안정성과 내구성을 높였다.
최 교수는 “철-질소-탄소 촉매의 내구성을 저하시키는 요인을 명확하게 규명했다”며 “수소연료전지를 포함한 다양한 신재생 에너지 분야에서 전지의 효율을 높이는 촉매 역할을 하기 바란다”고 말했다.