우리 학교 생명화학공학과 이진우 교수, 국민대학교 장세근 교수, 서강대학교 백서인 교수 연구팀이 공동연구를 통해 비 백금계 촉매를 기반으로 하는 고 전력밀도의 양성자 교환막 연료전지*(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)를 개발했다고 지난 7일에 밝혔다. 생명화학공학과 이승엽 박사과정이 제1 저자로 참여하고, 최은호 학생, 장호연 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난달 13일 온라인으로 게재되었다.
 

비 백금계 촉매의 필요성

연료전지의 경우에는 Cathode 극에 산소의 환원 반응이 일어나고, Anode 극에서는 수소의 산화 반응이 일어나게 되는데 그 중 4개의 전자가 참여하는 복잡한 반응인 산소 환원 반응에 대한 촉매에 대해서 연구가 많이 진행되어 있다. 그중에서도 특히 백금계 촉매 같은 경우에는 실험 및 계산적으로 성능이 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그렇지만, 백금의 매장량이 한정되어 있고, 연료전지 외에도 다양한 분야에 많이 사용되고 있는 상황이라 백금의 수요가 늘어남에 따라 백금 가격이 계속해서 올라가고 있다. 이 때문에 백금의 큰 가격 변동성은 연료전지를 대량 생산하여 상용화하는 데 있어 큰 문제점이 될 수밖에 없다. 그렇기 때문에 연료전지 생산단가를 줄이고 상용화하기 위해 백금계 촉매를 대체할 비 백금계 촉매에 대한 연구가 수십년 동안 진행되고 있다.

하지만 백금을 사용하지 않는 비백금계 촉매들 중 대부분은 낮은 pH의 산성 조건에서 구동되는 양성자 교환막 연료전지 조건에서 쉽게 녹아버리게 된다. 탄소지지체 위에 전이 금속 단일 원자가 질소, 황, 인 등 이종원소와 결합하고 있는 형태의 활성 점을 갖는 M-N-C계 촉매는 산성 조건에서 어느 정도의 내구성을 보이며 백금 촉매와 비슷한 성능을 갖기 때문에 주목을 받고 있다. 특히, 활성 점 금속인 철의 경우 철의 특별한 전자 구조 때문에 산소의 환원 반응에 좋은 성능을 보여 활발히 연구가 진행되고 있다. 
 

Fe-N-C 촉매의 성능을 올리다

본 연구에서는 금속 원자 하나, 그중에서도 철을 이용하는 Fe-N-C 촉매를 연구했다. 촉매를 합성하는 과정에서 결함은 필연적으로 생성될 수밖에 없지만 Fe-N-C 촉매에 결함이 어떻게 영향을 줄 수 있는지 확인이 되지 않은 상황이었다. 이번 연구에서 개발한 촉매는 촉매 활성 점 (철 원자) 주변의 결함 정도를 조절하고 오히려 결함을 늘리는 방향으로 Fe-N-C 촉매의 성능을 관측했다. 결함을 조절하기 위해서 금속유기 복합체를 열처리하여 질소-탄소 복합 지지체를 만들고 철 이온을 도핑한 뒤 또 한번 열처리를 하여 Fe-N-C 촉매를 만든다. 그러면 철 원자에 질소 원자 4개가 결합된 형태로 나타난다. 결함이 존재하는 촉매의 경우 철 이온 도핑 전 질소-탄소 복합지지체를 고온(700-900 ℃)에서 이산화탄소와 열처리를 통하여 만들어주게 된다. 공동 연구팀은 결함의 정도가 증가하면 철 원자가 산소환원반응 중에 생성되는 중간생성물(O, OH)에 대한 결합력이 강해지게 되고, 이는 연료전지 성능에 중요한 역할을 하기 때문에 결함이 증가함에 따라 특정 지점까지 성능이 증가하는 것을 관측했다. 결국, 

본 연구에서는 최적의 Fe-N-C 촉매가 결함을 만들지 않은 Fe-N-C에 비해 44% 향상된 높은 전력 밀도를 보여주었다. 이 박사과정은 현재는 양성자 교환막 연료전지에 국한해서 실험했지만, 염기 조건 같이 다른 조건의 연료전지에서도 사용할 수 있고, 다양한 에너지 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.

이 박사과정은 “이번 연구는 서강대, 국민대 연구팀과 공동연구였다. 공동연구를 통해서 다른 학교 및 전공의 사람들과 교류할 수 있었을 뿐만 아니라 좋은 결과를 통해 논문을 출판할 수 있어 좋았던 것 같다”고 얘기했다.