가압 질화 공정 도입 통한 코어-쉘 전극촉매 내구성 증대 기술확보
[산경e뉴스] 한국에너지기술연구원이 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어(core)-쉘(shell) 구조 촉매 기술을 개발했다.
연료전지 가격이 비싼 이유는 촉매로 사용하는 백금 가격때문이다. 이 문제만 해결되면 연료전기 가격의 하락으로 대중화 실현시기가 앞당겨질 수 있다.
이번 기술은 에기연 연료전지연구실 박구곤 박사팀이 미국 브룩헤이븐국가연구소, 센트럴 미시건 대학과 공동연구를 통해 개발한 것으로 알려졌다.
에기연은 계란의 노른자(코어)를 감싸고 있는 흰자(쉘)와 같은 코발트-백금 구조의 촉매 기술을 통해 기존 상용백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상됨을 확인했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 화학분야 세계적 학술지인 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis, IF 12.35)‘ 5월 7일자 표지 논문(Front Cover)으로 게재됐다.
탄소중립 및 수소사회로 전환이 가속화되면서 수소를 활용하는 연료전지가 다양한 분야로 확대되고 수소기반 산업을 견인하고 있다. 자동차 등 모바일용, 건물용. 발전용 등 다양한 분야에서 연료전지는 본격적인 양산을 앞두고 있고 현대자동차 및 토요타자동차는 수소전기자동차의 본격적인 상용화를 시작한 상황이다.
연료전지 시스템의 핵심부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금, 팔라듐 등 귀금속 가격은 최근 가파른 폭으로 상승하고 있다. 이러한 가운데 연료전지 스택비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 성능향상과 가격 저감은 여전히 해결해야 할 숙제로 남아있다.
백금 사용량 저감 및 성능 극대화를 위해 코어-쉘 구조 전극촉매에 대한 연구가 최근 경쟁적으로 진행되는 이유다.
일반적인 코어-쉘 구조의 전극촉매는 상대적으로 복잡한 단계를 거쳐 제작되며 촉매 활성금속의 중앙(코어)에 팔라듐과 같은 고가의 귀금속이 사용되어 왔다.
가격 저감을 위해 코어에 저가의 전이금속을 적용하는 연구가 있었지만 연료전지 구동 시, 전이금속 용출 등 내구성 문제으로 인해 실제 연료전지 전극촉매로써 적용하기에는 어려움이 있는 상황이었다.
연구진은 이러한 어려움을 극복하기 위해 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.
연구책임자인 에기연 박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 및 가압 질화 공정을 통한 이들 촉매의 내구성 기술 확보는 본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 것”이라며 이번 연구 성과를 강조했다.
이번 연구는 에너지기술연구원 주요사업과 산업부 한국산업기술평가관리원, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.