고가의 백금촉매를 대체할 수 있는 기술이 개발돼 연료전지와 금속공기전지 등의 개발에 가속이 붙을 전망이다.

교육과학기술부(장관 이주호)는 최근 울산과학기술대 백종범(사진) 교수팀이 ‘쇠구슬을 이용해 흑연을 고속 분쇄함으로써 그래핀을 친환경적으로 대량생산할 수 있는 공정(논문명 : Large-scale production of edge-selectively functionalized graphene nanoplatelets via ball-milling and their use as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction)’을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 교과부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업, 중견연구자지원사업 및 WCU사업 등의 지원으로 수행됐고, 전인엽, 최현정 박사과정 등이 참여했다.

연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 1월 30일자에 게재됐다.

연료전지에 사용되는 백금촉매의 경우 효율은 높지만 시간이 지나면 불순물에 의해 활성이 저하될 수 있다. 또한 매장량이 한정되어 있어 철, 니켈, 구리 등 값싼 금속으로 이를 대체하려는 시도가 있었지만 촉매활성이 낮다는 한계가 있었다.

반면 그래핀의 경우 넓은 표면에 활성을 띄는 원소들로 코팅할 수 있어 촉매활성이 뛰어나고 안정성도 높아 이러한 그래핀을 대량생산하기 위한 연구가 주목을 받아왔다.

이에 백 교수팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 고속분쇄함으로써 흑연이 주위물질과 반응하면서 수소 등이 가장자리에 부착돼 활성화된 그래핀(EFGnPs, Edge-selectively functionalized graphene nanoplates)이 만들어지는 공정을 개발해냈다.

이렇게 만들어진 그래핀은 백금촉매를 대체할 만한 우수한 산소환원 능력과 안정성을 가졌고, 활성화된 그래핀을 연료전지에 적용한 결과 산소환원력은 백금과 비슷하고 안정성은 훨씬 뛰어난 것(백금: 12% 성능감소 EFGnPs 0.7% 성능감소)으로 나타났다.

이에 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래핀을 산소환원전극 재료로 사용할 경우 연료전지셀 비용을 크게 절감(백금: 1억원/Kg, EFGnPs: 1만원/Kg) 할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

또한 기존 산화환원방식에서의 복잡하고 유독한 공정을 비교적 간단한 기계화학적인 방법을 통해 단순하고 친환경적인 공정으로 개선한 점도 눈에 띈다.

백종범 울산과학기술대 교수는 “다양한 기능기를 가진 그래핀을 값싸게 대량생산할 수 있게 돼 높은 효율과 안정성을 보여주는 그래핀 촉매의 개발이 가능해짐에 따라 연료전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다”며 “수소연료전지차 대당 필요한 백금 촉매 70∼90g을 이번에 개발한 그래핀 촉매로 대체할 경우 가공비를 포함해 대당 천만원이상의 제조원가를 절감할 것으로 예상된다”고 말했다.