기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자 연구단(단장 현택환)이 백금함량은 절반으로 낮추면서, 발전효율성과 안정성을 동시에 높인 수소연료전지^* 촉매^**를 개발했다.
이번 연구성과는 화석연료를 대체할 대안으로 꼽히는 수소연료전지의 비약적 발전을 이루는데 기여할 것으로 보인다.

* 수소연료전지 : 수소연료전지는 소형 발전기로, 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다. 연료원인 수소가 연료극(음극)에서 전자를 내놓게 되는데, 이때 전류가 발생한다. 이와 동시에 수소이온이 되어 환원극(양극)으로 이동, 공기 중의 산소와 반응해 부산물로 순수한 물이 되기 때문에 친환경적이다.
** 촉매 : 화학반응에 참여하여 반응속도를 올리거나 떨어뜨리지만, 반응 후에 원래 상태로 남는 물질을 촉매라고 한다. 수소연료전지의 환원극에서 산소환원반응을 활성화시키기 위한 촉매 연구가 활발히 진행 중이다.

연구진은 나노촉매에 1nm 이하의 얇은 탄소원자막을 입혀 촉매의 활성을 유지한 것이, 이번 연구결과의 핵심기술이라고 밝혔다.
안정적인 촉매 합금 제작에는 고온의 수소 열처리가 필요하다. 하지만 이 과정 중에 수 나노미터의 나노입자가 수십 나노미터 크기로 뭉쳐져 활성 효율을 떨어뜨린다.
수 나노미터의 입자로 구성된 나노합금을 만들어도, 고열의 연료전지 구동환경에서 쉽게 변형되어 본연의 기능을 상실하고 말았다.
연구팀은 백금과 철로 이루어진 나노합금 표면에, 도파민^*고분자를 도포한 뒤 열처리해 탄소원자막을 생성했다. 이 막이 촉매를 잡아주어, 입자들의 움직임과 촉매 간 합성을 억제했다.

* 도파민(Dopamine) : 화학식 C₈H₁₁NO₂ 의 물질로 체내에서는 신경전달물질로 쓰인다. 액체 상태이기 때문에 합금촉매에 균일하게 도포하기 쉬우며, 질소가 함유되어있어 기화되기 전까지 백금과 긴밀하게 결합한다.

연구팀이 개발한 물질은 수소연료전지의 환원극 활성 촉매로 사용되며, 백금량 당 발전량이 기존 대비 10배(0.14 mA/g → 1.6 mA/g) 상승하는 결과를 보였다.
연구진은 백금과 철 나노입자를 합금하는 방법으로 백금사용을 절반으로 줄여, 연료전지의 단가를 대폭 낮추었다.
성능 면에서도 뚜렷한 향상을 보였다. 10,000회의 구동했을 때 성능 저하가 나타나지 않았다. 상용화 연료전지 시스템에서 100시간 구동했을 때도 단 3%의 성능 저하만이 나타났다.

이번 연구를 주도한 성영은 IBS 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수)는 “저비용, 고성능, 고안정성의 특성을 모두 만족 시키는 촉매를 제작하였다.”고 평가하며 “이로써 수소연료전지를 탑재한 차량의 보급 확대와 향후 연료전지 기반 사업의 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

<그림 1> 탄소다공체 위 백금과 철 합금 촉매(좌)와 도파민을 도포한 모습(중,우)

▲ 탄소원자막이 없는 상태의 촉매합금(좌) 탄소원자막 생성 상태의 촉매합금(중,우) 의 전자현미경 사진

▲ 연료전지 장기가속화 실험(좌), 장기가속화 결과 요약(우)

▲ 연료전지 시스템에서의 100시간 구동결과 : 백금철 촉매(좌), 기존의 백금 촉매(우)

▲ 10,000 회 실험 후의 백금철 촉매 분포

연구팀의 이번 연구결과는 화학분야 세계 최고 권위의 학술지인 미국화학회지 (JACS, Journal of the American Chemical Society, IF 12.11) 온라인 판에 12월 4일 게재됐다.