▲ 고성능 포피린 탄소층이 코팅된 탄소나노튜브(CNT/PC) 촉매 합성 모식도. 철 포피린과 탄소나노튜브를 섞어 저온 열처리, 실리카 코팅, 고온 열처리, 실리카 에칭을 통해 촉매 활성점이 많이 보존된 고성능 CNT/PC 촉매가 합성했다. .

국내 연구진이 철 포피린과 탄소나노튜브를 섞어 실리카 코팅을 한 고성능 수소 촉매 합성법을 개발했다. 수소연료전지를 저렴하게 만들 수 있어 고성능 연료전지 상용화를 앞당겨 수소차 대중화에 가속도를 낼 전망이다.

UNIST는 3일 주상훈 에너지 및 화학공학부의 교수팀이 ‘철과 질소가 포함된 탄소 촉매(Fe-N/C, 이하 탄소 촉매)’의 성능을 높이는 새로운 촉매 합성법을 개발했다고 밝혔다.

수소연료전지는 수소와 산소를 결합해 전기와 물을 만들어낸다. 이때 반드시 촉매가 필요한데, 지금까지 상용화된 연료전지에는 귀금속인 백금 촉매가 사용됐다. 백금 가격은 1g 당 5만 원을 넘기 때문에 수소차나 수소 연료전지 대중화에 걸림돌이 돼 왔다.

백금을 대체할 후보물질 중에는 철과 질소가 도핑된 탄소(Fe-N/C)촉매가 가장 높은 성능을 보인다. 하지만 이 물질은 700℃ 이상의 고온 열처리를 통해 합성되기 때문에 촉매에서 반응물이 결합해 반응을 보이는 촉매활성점이 파괴되는 문제점이 있었다.

이에 주 교수팀은 촉매 활성점 보호를 위해서 탄소나노튜브를 철 포피린 전구체와 실리카 보호층으로 코팅한 뒤, 고온 열처리와 실리카 에칭 과정을 거치면 탄소나노튜브에 포피린 탄소가 코팅된 촉매(carbon nanotube/porphyrinic carbon, CNT/PC)가 합성했다.

실리카 보호층을 사용해 만든 촉매는 그렇지 않은 촉매에 비해 더 많은 촉매 활성점(Fe-Nx site)을 함유하고 있다. ‘실리카 보호층’을 도입해 실리카 보호층은 탄소 촉매 합성 과정 중에 촉매 활성점이 파괴되는 걸 막았고, 고온 열처리 과정 후에도 촉매 활성점을 효과적으로 유지시켰다.

이 방법으로 개발한 탄소 촉매는 백금 촉매보다 훨씬 저렴하면서도, 산소 환원 반응 효율은 상용 백금 촉매와 유사한 수준을 보였다.

산소 환원 반응은 수소 연료전지 음극(환원극)에서 발생하는 전기화학 반응이다. 양극(산화극)의 수소 산화 반응보다 약 100만 배 정도 느리기 때문에 연료전지의 효율을 떨어봐뜨리는 주요 원인이 됐다. 백금 등의 촉매를 이를 극복하는 데 쓰인다.

특히 이번에 개발한 탄소 촉매는 미국 에너지부(DOE)에서 제시한 2020년 비귀금속 촉매 성능 목표치인 300A/㎤를 넘긴 320A/㎤를 달성했다. 이 촉매를 이용한 알칼리 연료전지(수소 연료전지의 일종)는 비귀금속계 촉매 중 가장 높은 성능을 구현하는 데 성공했다.

주 교수는 “새롭게 개발한 비귀금속계 촉매 합성을 통해 연료전지 상용화에 한 단계 접근할 수 있을 것으로 기대된다”며 “이번 연구에서 개발한 합성법은 연료전지 외에도 다양한 에너지 변환 및 저장 장치에 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편, 이번 연구결과는 화학계 최고의 권위를 자랑하는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 11월2일자 온라인판에 공개됐다. 이번 연구는 주상훈 교수 주도로 이뤄졌으며 UNIST의 사영진 연구원, 우진우 연구원, 신현석 교수, 정후영 교수, 신태주 교수, 한국에너지기술연구원 김태영 박사, 포항가속기연구소 김민규 박사, 국민대학교 김철성 교수가 참여했다.