▲ 수소연료전지 성능을 향상시킬 수 있는 `백금-코발트 나노촉매` 형성 과정

국내 연구진이 수소 연료전지의 발전 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매 합성법을 개발, 수소 자동차 발전 및 수소 경제 활성화에 기여 할 것으로 보인다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 열처리 공정만으로 간단하게 백금 기반 연료전지 촉매를 합성하는 기술 개발에 성공 했다고 16일 밝혔다.

기초과학연구원 나노입자 연구단 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 새로운 합성 기술 개발로 백금 함량 당 연료전지의 발전 성능을 기존 대비 2배가량 높였다고 16일 밝혔다.

연료전지는 수소와 산소를 이용해 전기를 생산하고, 부산물로 물만을 배출하는 친환경적인 발전시스템으로 수소발전소 등 산업 곳곳에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 특히, 수소차와 수소전기트럭은 전기차보다 높은 효율을 낼 수 있어 이상적인 이동수단으로 꼽힌다.

하지만 연료전지 촉매로 사용되는 백금(Pt)의 가격이 1㎏ 당 3,000만 원 이상이며, 고성능 촉매를 합성하기 위한 합성법이 제한적이다. 따라서 연료전지 시스템이 활용되기 위해서는 백금계 촉매를 손쉽게 대량 생산하는 기술과 발전 성능을 크게 개선시켜야 한다.

이에 IBS 연구진은 간단한 열처리 공정으로 백금 기반 촉매를 합성하는 새로운 방법을 고안했다. 탄소 지지체 위에 백금(Pt)과 코발트(Co) 원소를 두고 900℃까지 올리면, 두 금속 원소가 규칙적으로 배열되며 4nm 크기의 나노 결정을 이룬다.

불안정한 코발트 주변을 백금 원자들이 규칙적으로 둘러싸 보호하기 때문에 촉매의 성능과 안정성이 매우 뛰어나고 합성 과정에서 유독한 용매나 계면활성제 등이 필요하지 않다. 더불어 탄소 지지체 위에 나노입자를 촘촘히 배치할 수 있어, 산소 기체의 이동도 용이해져 효율이 더욱 좋아진다.

여기에 이온의 이동을 용이하게 하는 아이노머라는 첨가제를 탄소 기판 위에 고르게 분산시켜, 기존 촉매가 연료전지로 구현됐을 때 제 성능을 구현하지 못하는 문제를 해결했다.

개발된 촉매를 장착해 연료전지의 성능을 평가한 결과, 같은 무게의 백금을 사용했을 때 기존 수소자동차 대비 2배 가까운 전력(5.9kW/gpt)을 생산했다. 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금의 사용량을 2배 절감할 수 있다. 이는 미국 에너지부(DOE)가 제시한 2025년 개발 목표치를 달성한 우수한 성능이다.

성영은 부연구단장은 “연료전지 상용화의 걸림돌이었던 문제를 해결하고, 세계 최고 수준의 연료전지 성능을 확보했다”며 “수소자동차의 산업적 발전은 물론 탄소 중립을 위한 수소 경제 달성에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 연구결과는 1월 30일(한국시간) 에너지 분야 세계 최고 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 39.714)’ 온라인 판에 실렸다.