▲ KIST 김상훈 박사.

나노구조의 금 박막을 이용한 연료전지 촉매가 개발돼 저비용 고효율 연료전지 개발이 더욱 앞당겨 질 것으로 전망되고 있다.

한국과학기술연구원(원장 이병권, KIST)은 최근 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 ‘연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리’를 규명했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 100㎚ 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다.

또한 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다.

복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다.

이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견했다. 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다.

이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다.

KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 Chemical Communications지 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재됐다.

▲ 나노구조화된 금박막에 TiO₂ 입자(분홍색)가 분산돼 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자(왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도.