[포스트 코로나 이끌 DGIST 연구성과]<6>신개념 전극 촉매 대량합성법 개발

유종성 에너지공학전공 교수팀, 수소연료전지 성능↑
값비싼 백금 함량 줄이면서 활성과 안정성 크게 향상
연구성과 토대로 향후 기술이전을 통한 상용화 추진

에너지 문제는 현재 인류가 극복해야 할 가장 시급한 과제 가운데 하나다. 전 세계가 환경 파괴 없이 지속 가능한 녹색 신재생 에너지를 개발하기 위한 연구를 지속하고 있다.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공은 친환경 에너지 자원 확보를 위한 신개념 연구에 심혈을 쏟고 있다. 저렴한 재료비로 높은 안정성과 효율성을 구현할 수 있는 수소연료전지 개발은 에너지공학전공 소속 연구자의 핵심 미션이기도 하다.

수소연료전지는 화석에너지의 과도한 사용으로 지구 온난화가 심화하면서 주목받고 있는 차세대 발전기술이다. 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금을 전극 촉매로 사용한다. 하지만 백금은 비싸면서 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않다. 이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위한 연구가 활발하다. 이 가운데 전이금속인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰인다. 하지만 전이금속 특성상 높은 전압과 산성 상태에 취약해서 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 존재한다.

수소연료전지 성능 높이는 신개념 전극 촉매 대량합성법을 개발한 DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 이하영 석박사통합과정생.
수소연료전지 성능 높이는 신개념 전극 촉매 대량합성법을 개발한 DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 이하영 석박사통합과정생.

유종성 DGIST 에너지공학전공 교수 연구팀은 지각 내 존재량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목해 백금과 결합 시 높은 안정성을 가진 합금 촉매가 제작 가능하다고 판단했다. 연구팀은 쉽게 산화되는 마그네슘 특성상 백금과 합성이 어려운 점을 해결하고자 마그네슘 금속을 전구체(어떤 화학반응에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정물질이 되기 전 단계 물질)로 사용하는 독특한 합성법을 고안했다. 이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체(촉매 반응성을 향상하기 위해 촉매를 담아 고정해 주는 역할을 하는 물질)와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후, 수소/아르곤 혼합가스에서 650도 고온 열처리를 진행했다. 이때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성됐다.

백금-마그네슘 합금 촉매의 화학적 조성 분석 이미지
백금-마그네슘 합금 촉매의 화학적 조성 분석 이미지

연구팀은 완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행했고, 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43A/㎎으로, 기존 백금 촉매 활성도인 0.16A/㎎보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다. 또 미국 에너지부 기준의 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다.

백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프. 백금-마그네슘 촉매가 상용 백금 촉매보다 뛰어난 안정성을 보인다는 것을 그림을 통해 확인할 수 있다.
백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프. 백금-마그네슘 촉매가 상용 백금 촉매보다 뛰어난 안정성을 보인다는 것을 그림을 통해 확인할 수 있다.

유종성 교수는 “값비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선했다”면서 “촉매 합성법도 간단해 수소 연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 그는 현재 이번 연구성과를 토대로 향후 기술 이전을 통한 상용화를 계획 중이다. 또 백금 기반 촉매의 형태 및 결정구조를 변형해 촉매 자체 내구성을 크게 향상시키는 연구를 추진하고 있다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com