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백금 사용량 줄여 효율적으로 가격 낮춘 연료전지 촉매 개발해
팔면체 나노 입자로 구성된 백금-니켈 합금에 갈륨을 입혀 성능과 내구성 모두 높고 실제 연료전지에도 적용 가능한 새로운 촉매
[448호] 2018년 05월 15일 (화) 김유빈 기자 betty4003@kaist.ac.kr

  신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 연료전지*에 쓰일 수 있는 새로운 형태의 백금 촉매를 개발했다. 이번 연구는 지난달 11일 자 <나노 레터스(Nano Letters)>에 게재되었다.

백금 사용으로 인해 비쌌던 연료전지
  기존에도 성능이 향상된 연료전지를 개발하기 위해 많은 연구가 이루어졌지만, 이 연구들에는 몇 가지 문제점이 존재했다. 가장 큰 걸림돌은 연료전지의 높은 가격이었다. 연료전지의 가격을 낮추는 방안의 핵심은 가격 중 가장 높은 비율을 차지하는 전극 촉매의 가격을 낮추는 것이다. 전극 촉매에는 반드시 값비싼 백금이 쓰이기 때문에 백금 사용량을 줄인 새로운 전극 촉매의 개발이 연료전지 가격 절감을 위해 선행되어야 했다.

팔면체 백금 나노 입자에 갈륨을 입혀
  연구팀은 백금(Pt)-니켈(Ni) 합금 촉매에 갈륨(Ga)을 첨가해 가격 절감에 대한 구체적인 해결 방안을 제시했을 뿐만 아니라, 내구성 또한 기존 촉매에 뒤지지 않는 새로운 백금 촉매를 개발했다. 연구팀은 백금과 니켈을 이용한 팔면체 나노 입자를 만들고, 그 위에 갈륨을 입히는 방식으로 촉매를 구상했다. 기존에는 표면적이 가장 작아 에너지적으로 안정한 지름 3nm 정도의 구형 입자를 사용했지만, 이번 연구는 구형 입자 대신 팔면체를 사용했다. 이전까지 팔면체는 가장 높은 성능을 가진 배열임에도 불구하고 구형보다 불안전하여 사용되지 않았다.
  촉매의 성능은 촉매를 구성하는 각 원자가 어떻게 배열되는가에 따라 달라지는데, 연료전지에 쓰이는 전극 촉매의 경우에는 팔면체 구조가 가장 효율적이다. 또한, 기존에는 니켈이 연료전지 사용 중에 녹아버려 이를 촉매 생성에 사용하지 않았지만, 이번 연구는 이러한 한계를 극복하고 백금-니켈 합금을 사용해 백금의 비율을 낮추는 데 성공했다. 팔면체와 니켈의 사용은 모두 갈륨이 팔면체의 불안전성을 잡아주고, 니켈이 녹는 것을 방지하는 역할을 해주기 때문에 가능했다.
  다만 갈륨이 어떤 메커니즘을 통해 팔면체를 안정화하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 연구팀은 갈륨뿐만 아니라 지르코늄(Zr), 탄탈럼(Ta) 등 10개 정도의 원소를 골라 스크리닝**(Screening)을 진행했고, 이 과정에서 갈륨을 선별했다.

실제 연료전지에서도 유지되는 성능
  성능이 좋은 촉매를 만드는 것과 그 촉매를 실제로 연료전지로 구현하는 것은 완전히 다른 문제이다. 지금까지는 고성능의 촉매를 개발한다고 해도 연료전지에 적용한 후 그 성능을 유지하지 못하는 경우가 대부분이었다. 이번 연구는 새로 개발한 촉매를 실제 연료전지에 적용한 후에도 그 성능이나 내구성이 떨어지지 않았다는 것에 의의가 깊다.
  전극은 촉매와 용액 등을 골고루 섞은 뒤 이를 코팅해 만들어진다. 이때 촉매 잉크를 조성하는 방법, 코팅하는 방식 등이 모두 유기적으로 적합해야 하는데, 연구팀은 이 과정을 성공적으로 검증했다.

연료전지 자동차의 수명, 가격 개선해
  연료전지의 대표적인 활용 방안 중 하나인 연료전지 자동차에 연구팀이 개발한 촉매를 사용할 경우, 연료전지 자동차의 수명과 가격 모두 개선될 전망이다. 기존 연료전지 자동차는 비싼 가격과 짧은 수명으로 가솔린 자동차를 완벽히 대체하지 못했다. 실제로 연료전지 자동차의 가격은 기존 가솔린 모델의 2배에 달한 반면, 그 수명은 오히려 절반에 미치지 못한다. 연구팀이 개발한 백금 촉매로 연료전지 자동차를 만들 경우, 수명이 2배 향상되어 가솔린 자동차와 비슷한 수준에 달할 전망이다.
  이번 연구는 관련 특허 출원을 진행 중에 있고, 여러 기업에서도 관심을 보이고 있다. 조 교수는 “연료전지 자동차는 공해물질을 배출하지 않을 뿐만 아니라 공기청정기와 같은 기능을 하기도 한다”며, 다른 분야로도 긍정적 효과를 강조했다.

연료전지*
화학 변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기 에너지로 바꾸는 장치.

스크리닝**
특정한 화학 물질이나 생물 개체 등을 다수 중에서 선별하는 조작.

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