세계 최고 성능의 전극 촉매 개발

한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 소재분석연구부 정범균 박사 연구팀과 광주과학기술원(총장직무대행 김인수, 이하 GIST) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀은 공동연구를 통해 전극 촉매를 개발하여 알칼라인 하이드라진 액체연료전지의 성능을 세계 최고 수준으로 확보하는 데 성공했다.

친환경적인 동력 발생 장치로 각광받는 수소연료전지는 출력성능이 가장 우수하지만, 수소를 누출 없이 고압으로 저장하고 운송하기 위해서는 특별한 기술과 장비가 필요하다.

액체연료전지는 이러한 기술적 문제없이 운송동력장치에 활용될 수 있는 차세대 에너지원이다.

그 중 ‘하이드라진 액체연료전지’는 수소연료전지에 비견될 수준의 출력성능을 가지고 있으며 기존 액체연료의 저장 및 수송 인프라를 활용할 수 있기 때문에 미래 운송동력원으로써의 강점을 가진다.

연료전지는 전해질의 산성도에 따라 산 연료전지와 알칼라인 연료전지로 분류되는데, 이번에 연구팀이 연구한 알칼라인 연료전지는 고비용의 백금 촉매를 사용하지 않아도 높은 성능과 안정성 확보가 가능하다는 특징이 있다.

알칼라인 액체연료전지에서 철-질소-탄소 촉매는 백금을 대체할만한 성능을 가진 촉매로 주목받고 있지만, 백금에 비해 촉매 표면의 활성점(촉매 반응이 일어나는 지점) 밀도가 낮다는 단점이 있다.

따라서 원하는 출력 성능을 얻기 위해서는 상대적으로 많은 양의 촉매를 사용해야 한다.

그러나 다량의 촉매를 사용했을 때 전극에 도포된 촉매층의 두께가 두꺼워지면, 물질 전달이 원활하지 않아 연료전지의 출력이 촉매 사용량만큼 쉽게 증가하지 않는다.

공동연구팀이 개발한 촉매는 철-질소-탄소 촉매를 합성하는 과정에서 수증기 활성화를 통해 구조와 표면이 개질된 전극 촉매이다.

연구팀은 전기방사법을 통해 철-질소-탄소 촉매를 고온의 수증기로 열처리하여 두 가지 효과를 확인하였다.

먼저, 촉매 표면에 전지 구동 환경에 적합한 계층적 기공 구조가 형성되어 산소 기체가 활성점에 잘 접근할 수 있었다.

또한, 열처리 공정 과정에서 생성된 산화철(Fe₃O₄) 나노 입자들이 전극과 전해질 사이의 계면 저항을 줄여 높은 전류에서도 출력 성능이 유지됨을 확인하였다.
 
KBSI 정범균 박사 연구팀은 전극 촉매를 직접 개발하였으며, GIST 이재영 교수 연구팀은 알칼라인 하이드라진 액체연료전지의 성능 확인 실험을 진행했다.

이번 연구에 대해 공동교신저자인 KBSI 정범균 박사는 “촉매의 기공 구조 뿐 아니라 표면 특성이 연료전지의 성능에 영향을 미친다는 사실을 파악한 것에 의미가 있다”며 “이번 연구에서 개질한 표면 특성을 한층 더 정교하게 조정하여 출력 성능을 더 높이기 위한 후속 연구를 수행 중”이라고 밝혔다.
 
GIST 이재영 교수는 “공기극 환원 촉매가 알칼라인 연료전지에 적용될 때, 소재적 관점뿐만 아니라 시스템적 관점에서도 연구가 진행되어야 실용화에 더 다가갈 수 있을 것”이라고 말했다.
 
이번 연구는 KBSI 및 GIST 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 화학 분야의 세계적인 학술지인 Journal of Energy Chemistry誌 온라인판(논문명 : Steam activation of Fe-N-C catalyst for advanced power performance of alkaline hydrazine fuel cells, IF=7.216, JCR 상위 3%, 공동교신저자 : KBSI 정범균 선임연구원, GIST 이재영 교수)에 최근 게재되었다.  <끝>