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지구‧환경공학부 이재영 교수팀, 수소연료전지용 백금 촉매의 성능과 내구성 개선
관리자
작성일2020.03.25 09:29 조회수9

수소연료전지는 물 이외의 오염물질이 전혀 배출되지 않는 친환경 고효율 에너지로, 전기차보다 이산화탄소를 적게 배출하여 깨끗하고 안전한 미래 신성장동력 발굴 및 지속가능한 에너지로 각광받고 있다.

수소연료전지는 수소전기차 뿐 아니라 드론, 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 활용 가능하다. 현재 수소연료전지의 확대, 보급을 위해서는 저백금·고내구성 전극 개발 등 해결되어야 할 문제가 남아있다.

광주과학기술원(총장 김기선, 이하 지스트) 지구환경공학부 이재영 교수 연구팀이 고립전자쌍*을 포함한 탄소를 이용하여 수소연료전지 백금 촉매의 성능과 내구성을 개선하였다.

* 고립전자쌍: 다른 원자와 결합하지 않은 상태로 있는 두 개의 전자로 구성된 쌍

현재 백금이 가장 적합한 산소환원반응 촉매로서 평가받고 있지만, 한정적인 매장량으로 인해 상당히 고가이다. 연료전지의 가격경쟁력을 높이기 위해서는 사용되는 백금 촉매의 양을 줄여야 하며, 산소환원반응에서의 성능과 내구성을 향상시켜야 한다.

본 연구에서 개발된 백금촉매는 백금과 질소 원자 간 결합으로 인해 산소환원반응에서 기존 백금촉매 대비 우수한 성능을 가지고 있을 뿐만 아니라, 강력한 원자 간 결합으로 인해 수소연료전지 구동 중에서 용출되는 백금의 양을 최소화하여 내구성을 향상시켰다.

연구팀은 볼밀링법*을 이용하여 질소가 도핑된 탄소를 합성하였고, 이를 백금 입자의 담체로 사용하여 수소연료전지의 산소환원반응 촉매로써 적용하였다.

* 볼밀링법: 세라믹 구와 시료를 빠른 속도로 회전시켜 마찰열을 통해 화학반응을 일으키거나 시료의 크기를 작게 부수는 합성법

질소가 도핑된 탄소에 다량 포함된 고립전자쌍은 담체에 백금 입자를 균일하게 성장시키는 역할 뿐만 아니라 산소환원반응을 가속화하는 백금과 질소 원자 간의 결합을 형성시키는 것을 확인하였다.

이재영 교수는탄소담지체의 고립전자쌍이 백금 촉매 형성과정과 반응 메커니즘에서의 역할을 밝혀냄으로써 수소연료전지의 백금 귀금속 촉매의 성능 및 내구성 확보가 가능하게 되었다면서이는 수소전기차의 제조 경제성을 높여 수소경제에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다고 말했다.

지스트 지구환경공학부 이재영 교수(교신저자)가 주도하고 함가현 박사과정생(1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받았으며, 에너지 및 화학 분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem(켐서스켐) 3월호 표지논문으로 게재되었다. <>

 

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(뒤쪽) 탄소층 표면에 포함된 질소원자(파란색)의 고립전자쌍으로 인해 백금이온(분홍색)이 정전기적 인력으로 붙으면서 백금 입자(흰색) 성장이 균일하게 됨

(앞쪽) 질소원자에 있던 고립전자쌍이 백금 입자로 이동하여 산소원자가 쪼개져 물이 생성되는 산소환원반응이 원활히 일어남

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