한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와의 공동연구를 통해, 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지*의 고가 백금 촉매를 대체할 수 있는 저가형 촉매를 개발했다고 밝혔다.

*알칼라인 연료전지 : 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로써, 에너지 발생 단계에서 물밖에 배출하지 않는 친환경 에너지원

연료전지의 전극에서는 산소환원반응**이 발생하는데, 이는 전지 효율을 결정하는데 가장 핵심이 되는 요소이다. 산소환원반응은 연료전지의 반응 속도를 느리게 하고, 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 주원인이다. 기존 알칼라인 연료전지는 이러한 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 백금계열 촉매는 내구성이 부족하고 가격이 비싸다는 한계를 갖고 있었다. 

**산소환원반응 : 산소에 전자와 물을 반응시켜 수산화물을 생성하는 환원 반응.

   (O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-)

최근 백금 소재를 대체하기 위해 탄소계 촉매 연구가 활발하게 진행 중이다. 현재까지 개발된 탄소계 소재 촉매들은 우수한 산소환원반응 활성을 보이지만, 실제 알칼라인 연료전지 구동 시 산소환원반응의 활성화 지점을 알 수 없어 성능을 높이는 데 한계가 있었다.

KIST 연구진은 최근 연구를 통해 고가의 백금계 촉매를 대체할 수 있는 탄소계 촉매를 개발하여 연료전지 성능과 내구성을 향상시키는데 성공했다. 이번에 개발된 촉매는 코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조***로서 성능과 내구성은 물론 경제성까지 갖춘 매우 우수한 소재이다. KIST 연구팀은 코어-쉘 구조를 통해 반응면적을 극대화하여 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전극을 형성하였고, 이를 통해 우수한 연료전지 성능을 구현해 내었다. 

KIST-충남대학교 공동연구진은 코발트 금속 위에 그래핀 껍질을 형성할 경우 그래핀 표면에 산소환원반응에 유리한 전자구조가 만들어진다는 사실을 밝혀내었다. 또한 연료전지 핵심인 전극소재를 기존 탄소계 소재보다 3배 이상 얇게 만들었음에도 불구하고 상용 백금계 소재와 유사한 성능을 구현함으로써 비백금계 촉매의 상용화시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 

KIST 유성종 박사는 “최근 알칼라인 연료전지를 상용화하기 위한 핵심 소재 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이번 연구를 통해 아직까지 명확하게 밝혀지지 않은 산소환원반응의 활성점을 규명하고, 실제 연료전지 구동에 핵심이 되는 전극 소재의 새로운 개발 방향을 제시했다.”고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행되었다. 충남대학교와의 공동 연구로 진행된 이번 연구는 에너지 환경 분야 저명 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’ (IF: 33.25, JCR 분야 상위 0.20%)의 최신호에 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다.

  - (제 1저자) KIST 수소·연료전지연구단 장주혁 연구원(박사과정)

                  충남대학교 에너지과학기술대학원 Monika Sharma 박사

  - (교신저자) KIST 수소·연료전지연구단 유성종 책임연구원

                  충남대학교 에너지과학기술대학원 정남기 교수

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