▲ 루테늄 칼코게나이드 나노튜브의 산소 환원 반응 촉매 거동을 보여주는 논문 표지

국내 연구진이 루테늄 칼고게나이트라는 신소재를 활용해 고가의 백금 촉매를 대체하고 연료전지의 경제성과 안정성을 모두 확보할 것으로 기대되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 초미세 나노튜브 신소재를 도입해 우수한 산소환원 반응 성능과 높은 안정성을 가진 금속 칼고게나이드 나노튜브를 합성했다고 15일 밝혔다.

연료전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 이 과정에서 반응 촉진용 촉매가 쓰이는데, 주로 산소 환원 반응을 촉진하는 촉매가 전체 연료전지의 효율 및 가격을 결정한다.

현재 대부분의 연료전지는 백금(Pt) 촉매를 주로 사용하지만, 높은 가격과 반응 중 촉매가 용출되거나 응집되는 등의 낮은 내구성 문제가 존재했다. 이에, 더 낮은 비용으로 더 높은 안정성이 있는 새로운 연료전지 촉매 개발이 필요한 상황이다.

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 원소로 산소족 원소로 불린다. 이 칼고겐 원소가 전이금속 원자와 결합하면 금속 칼코게나이드라고 불리는 2차원 시트구조의 반도체 물질이 되는데, 이들은 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다.

그 중에서도 금속성을 띠는 1T상 물질은 우수한 전기전도성 및 촉매 성능을 나타내지만 안정성이 낮아 공기 노출, 전기화학 반응 등에 의해 촉매활성을 잃는 한계가 존재한다.

연구진은 준안정상 열역학적으로 최소 에너지 상태로 존재하는 대부분의 물질과 달리 중간 에너지 상태로 존재하는 상의 ‘루테늄 칼고게나이트’를 새로운 소재로 제안하는 한편, 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 이를 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는데 성공했다.

이 구조는 높은 표면 곡률을 갖기 때문에 커다란 장력이 유도되어 연료전지 구동 중에도 장력에 의해 촉매의 원자 배열이 안정하게 존재했으며, 그 결과 촉매도 안정화됐다.

연구는 성능 평가에서 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소환원반응 촉매로 활용 시 기존 사용되는 백금 촉매 (64.5 A g-1) 보다 우수한 수소연료전지 성능 (67.4 A g-1)과 10배 이상 높은 내구성을 보였다. 또 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 미치는 영향 때문임을 규명, 다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있음을 제시했다.

KIST 유성종 박사는 “나노튜브 구조체를 이용한다면 기존 0차원 나노입자 또는 2차원 나노시트의 구조로 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능할 것”이라며, “내구성이 낮아 활용에 제한적이었던 소재를 친환경에너지 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.