안정성·성능 높인 수소차 연료전지용 나노 촉매 개발

금속간화합물 나노 프레임 촉매의 투과전자현미경 사진 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 안정성과 성능, 가격 경쟁력을 갖춘 수소 전기차 연료전지용 촉매가 울산과학기술원(UNIST) 연구팀에 의해 개발됐다.

울산과기원은 화학과 주상훈 교수팀이 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 크기의 촉매 입자가 고온에서 뭉치는 것을 막는 기법을 이용해 '백금-구리 나노 프레임 촉매'(O-PtCuNF/C)를 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀에 따르면 수소 전기차의 엔진인 수소 연료전지를 작동하려면 전극 촉매가 필수적인데, 기존 백금 촉매는 가격이 비싸고 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

이에 백금 사용량을 줄이고 촉매 성능을 개선하기 위해 백금과 다른 원소를 혼합한 합금 촉매가 꾸준히 연구되고 있지만, 합금 촉매는 작동 중 금속이 부식되거나 용해돼 내구성에 한계가 있다.

연구팀이 개발한 촉매는 가운데가 뚫린 3차원 나노 프레임(뼈대 구조) 형태의 금속간화합물 촉매다.

연구팀은 나노 프레임 입자 표면에 실리카 보호층을 입혀 촉매를 만들 때 입자끼리 뭉치는 문제를 해결했다.

금속간화합물 나노 프레임 촉매의 합성 전략 합성 과정 모식도(위)와 합성 단계별 대표 투과전자현미경 사진(아래). [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

금속간화합물 촉매는 같은 종류의 금속 원소가 '끼리끼리 모여' 있어 합금 촉매와 비교해 부식되거나 내부 금속 원소가 용해되는 문제가 적다.

같은 종류의 원소들끼리 모여 있으면 상호작용이 커져 안정성이 높기 때문이다.

이 촉매는 성능 면에서도 백금 촉매는 물론 단순 합금 나노 프레임 촉매보다 뛰어나다고 연구팀은 설명했다.

또 가속 열화 시험에서는 용해된 금속 종의 양이 가장 적어 우수한 화학적 안정성을 보였다.

가격 경쟁력 면에서도 값이 비싼 백금 함량이 적어 유리하다.

가속 열화 시험 전후 촉매 성능과 금속 용해량을 비교한 그래프 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

주 교수는 "개발한 촉매는 또렷한 다면체 나노 프레임 구조와 금속간화합물 상(phase)을 융합한 최초 사례"라며 "이번 연구에 이용된 합성법은 다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 나노 재료 분야 학술지인 '나노 레터스'(Nano Letters)에 9월 22일 자로 온라인 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 '기후 변화 대응 기초 원천 기술 개발 사업'과 '미래 소재 디스커버리 사업', '수소 에너지 혁신 기술 개발 사업'의 지원을 받아 이뤄졌다.

yongtae@yna.co.kr



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