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탄소섬유로 하이드라진 연료전지 촉매 개발
촉매 기공구조와 연료전지 성능 상관관계 규명
(左부터)투과전자현미경으로 촬영한 나무껍질 모양 금속제로 탄소촉매의 이미지. 기방사법을 이용한 금속제로 탄소촉매 제조공정
국내 연구진이 하이드라진 연료전지 촉매로써 비금속 촉매의 이용 가능성과 성능을 향상시킬 수 있는 촉매구조를 밝혔다. 향후 연료전지의 높은 생산단가를 낮춰 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 이재명 지구·환경공학부 교수팀이 세계 최초로 금속제로 탄소촉매를 사용해 하이드라진 연료전지를 구동하는데 성공했으며, 촉매의 기공구조와 연료전지의 성능과의 상관관계를 규명했다고 지난 7일 밝혔다.

최근 유기물 연료전지 등 액체연료전지가 큰 관심을 받고 있지만 낮은 출력밀도와 과량의 귀금속촉매의 사용으로 인한 높은 생산단가는 상용화에 있어 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다.

이러한 문제점을 극복하고자 고에너지밀도의 액체 화학물질인 질소계 하이드라진을 연료전지의 연료로 이용하는 연구가 큰 주목을 받고 있다. 하이드라진은 질소와 수소의 화합물로 높은 에너지 밀도(5416 Wh/kg)를 가지고 있어서 공학적으로 큰 가치가 있는 액체 화학물질이다.

하지만 현재 상용화의 걸림돌인 높은 생산단가의 문제점을 해결하는 것이 하이드라진 연료전지의 중요한 연구주제이다.

이에 연구팀은 저비용 고효율의 하이드라진 산화촉매를 개발하기 위해 전기방사를 통한 탄소나노섬유를 합성하고 열처리 및 표면처리기법을 통해 미세기공을 표면에 형성시켜 뛰어난 하이드라진 산화반응성을 지닌 금속제로 탄소촉매를 합성했다.

특히 미세기공의 크기에 따라 달라지는 하이드라진의 반응성에 대해 실험을 통해 10nm(나노미터)이상 크기의 메조기공 구조가 하이드라진 연료전지에서 효과적으로 활용된다는 사실을 명확히 규명함으로써 하이드라진 연료전지용 금속제로 탄소촉매의 새로운 가이드라인을 제시했다.

연구진은 금속제로 탄소촉매를 하이드라진 연료전지의 산화전극에 적용해 구동했으며, 최대 127.5 mW/㎠의 출력밀도를 달성하는데 성공했다.

이재영 교수는 “대량생산이 가능한 나무껍질 모양 저비용 고효율의 하이드라진 산화촉매를 개발함으로써 하이드라진 연료전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 이재영 GIST 지구·환경공학부 교수(교신저자·Ertl 탄소비움연구센터·RISE 화학전지연구센터)가 주도하고 정재훈 연구원과 전명훈 연구조교수(공동 1저자)가 수행했다.

또한 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(KETEP)과 GIST 차세대에너지연구소의 지원으로 수행됐고, 화학·융합 분야의 세계적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 8월 29일자 온라인판에 게재됐다.

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