연료전지의 전극에서는 전지의 효율을 결정하는 핵심적인 반응인 산소환원반응이 발생합니다. 산소환원반응은 산소에 전자와 물을 반응시켜 수산화물을 생성하는 환원 반응을 가리킵니다. 반응 속도가 느린데다 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 주 원인이죠. 기존 알칼라인 연료전지는 이러한 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었습니다.
여기서 알칼라인 연료전지란 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치입니다. 에너지 발생 단계에서 물밖에 배출하지 않는 친환경 에너지원으로 조명받고 있죠.
하지만 백금계열 촉매는 내구성이 부족하고 가격이 비싸다는 한계가 있습니다. 백금 소재를 대체하고자 탄소계 촉매에 대한 연구들이 활발하게 진행 중인데요. 현재까지 개발된 탄소계 소재의 촉매들은 우수한 산소환원반응 활성을 보이지만 활성화 되는 지점을 알 수 없다는 문제점 등이 있어 실제 알칼라인 연료전지 구동시 성능적인 한계를 보였습니다.
한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와의 공동 연구를 통해 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체해 적용 가능한 저가형 촉매를 개발했다고 합니다.
어떻게 개발했는가
<Energy & Environmental Science>에 게재된 논문에 따르면 연구진은 코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 촉매를 개발해 경제성을 비롯한 성능 및 내구성이 우수한 촉매를 개발했습니다. 코어-쉘 구조란 중심에 존재하는 코어물질을 쉘을 형성하는 물질이 둘러싼 구조를 말합니다.
연구진은 백금계 소재를 탈피한 탄소계 소재 중 코어쉘 구조의 코발트 코어-그래핀 쉘 형태의 촉매를 개발하여 경제성, 성능 및 내구성이 우수한 촉매를 개발했습니다. 개발된 촉매는 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면의 전자구조를 갖고 있어 높은 산소환원반응 활성을 보이며 그래핀 쉘의 효과로 상용 백금계 촉매에 비해 우수한 내구성을 보임을 입증했습니다.
또한, 기존 탄소계 소재의 한계점인 연료전지 전극을 형성할 때 발생하는 전극의 구조적인 문제들로 인해 촉매의 특성을 발현하기 어려운 점을 해결하는 과제가 있었는데요. 연구진은 멀티스케일 나노복합구조 기반의 나노 촉매 및 표면 그래핀 쉘을 통해 반응 면적을 극대화했습니다. 그 결과 연구진이 개발한 촉매는 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전극을 형성했으며 이를 통해 백금과 유사한 알칼라인 연료전지 성능을 구현해냈다고 합니다.
뿐만 아니라 개발된 탄소계 촉매는 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇지만 연구진이 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 구현할 수 있게 만든 덕분에 비백금계 촉매의 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했습니다.
앞으로의 전망
KIST 유성종 박사는 "이번 연구는 알칼라인 연료전지의 상용화를 위한 핵심 소재 개발 연구가 활발한 가운데, 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발 방향에 대한 가능성을 볼 수 있었다"고 연구 의의를 밝혔습니다.
##참고자료##
