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GIST 소식

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수소경제 핵심, 연료전지 실용촉매 개발
관리자
작성일2019.05.30 10:14 조회수566

GIST(지스트, 총장 김기선) Ertl 탄소비움연구센터 이재영 교수(지구환경공학부)와 한국과학기술원(KAIST) 화학과 김형준 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다.

연료전지 공기극 반응인 산소환원반응 성능을 결정짓는 정확한 요인을 각각 실험과 계산화학으로 관찰하였고, 이를 토대로 고성능, 고내구성의 저가 비귀금속 철기반 산소환원반응 촉매를 개발했다. 이번 연구성과는 수소경제 구현을 위한 고성능 연료전지 개발에 있어 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가된다.

공기극 산소환원반응은 느린 반응 속도와 함께 높은 과전압이 요구되어 연료전지 효율 향상에 걸림돌로 작용하고 있다. 현재는 백금이 가장 적합한 촉매로서 평가받고 있으나 고가이면서 제한된 자원으로 수소전기차 가격경쟁력의 제한요인이다. 이로 인해 가격 경쟁력이 높은 비귀금속 기반의 우수한 성능과 내구성을 보유한 촉매 제조 관련 연구가 주목받고 있다.

비귀금속 촉매 개발에서 가장 중요한 점은 산소환원반응 성능을 결정하는 변수를 찾고 이에 기반한 최적의 촉매를 설계하는 것이다. 변수를 찾아내기 위해서는 전기화학적 실험과 최신계산이론에 근거한 뒷받침이 필요하다.

연구팀은 전기방사법*을 통해 다양한 비귀금속(니켈, 코발트, , ) 이 담지된 탄소나노섬유 촉매를 제조한 뒤, 이를 활용해 수용액 상에서 산소의 환원반응 성능을 비교하였다. 밀도범함수** 이론에 기반하여 제조된 촉매의 구조 및 일함수 등을 계산하였고, 촉매 성능과 상관관계를 갖는 변수 발견을 시도하였다.

* 전기방사법: 연속적인 유기/무기 나노섬유가 높은 전기장 하에서 연신이 되어 접지된 드럼 기판 위에 형성되는 방법

** 밀도범함수: 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론

촉매의 성능은 탄소나노섬유에 담지된 비귀금속의 일함수에 의해 결정되었다. 비귀금속의 낮은 일함수는 근처 탄소층에 전자를 많이 전달하게 되며 이로 인해 산소가 탄소층의 표면에서 더 높은 빈도로 환원할 수 있게 됨을 밝혔다. 결과적으로 철기반의 탄노나노섬유가 최적의 일함수를 가지고, 산소환원반응에 대한 가장 높은 성능을 나타냈다.

또한, 연료전지의 수명을 증대시키기 위해 촉매의 내구성도 중요한 요인이다. , 높은 성능과 높은 내구성을 모두 만족하는 비귀금속 산소환원반응 촉매를 디자인하는 것이 중요하다. 공동연구팀은 철기반의 탄소나노섬유의 내구성을 극대화시키기 위해서 10%의 코발트를 포함시켜 우수한 가속내구성 평가결과를 확인하였다.

GIST 이재영 교수 및 KAIST 김형준 교수이번 연구는 활성이 있는 것으로 보고되고 있는 철기반 비귀금속 촉매의 내구성 문제를 실험과 계산으로 해결한 것이라며 알카라인 수소기반연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다고 연구의 의의를 설명했다.

GIST 이재영 교수와 KAIST 김형준 교수가 주도하고 KAIST 하윤후 박사과정생(공동 1저자)GIST 강신우 석사과정생(공동 1저자)이 주도적으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응사업의 지원으로 수행되었으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 Journal of Physical Chemistry Letters 522일자 온라인 판에 게재되었다.

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