▲ IBS 나노입자 연구단이 개발한 나노 촉매는 크기가 서로 다른 기공 세 가지가 공존한다.

매연 대신 물만 배출하며 달리는 수소자동차는 차세대 친환경 이동수단의 대표주자로 꼽힌다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구진이 수소자동차의 상용화를 앞당길 핵심 기술을 개발했다. 바로 수소자동차의 동력인 연료전지에 사용되는 값비싼 촉매를 대체할 새로운 나노물질을 개발했기 때문이다.

연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 에너지 변환 효율이 70% 내외로 높고, 부산물로 물만 발생하기 때문에 친환경적이다. 문제는 현재 촉매로 사용되는 백금이 매우 고가라는 점과 사용할수록 성능이 급격히 저하되는 불안정성이었다.

IBS 나노입자 연구단 연구진은 상용화의 걸림돌이 돼온 가격과 성능 문제를 모두 해결할 수 있는 비(非)귀금속 촉매 개발에 성공했다. 이번 연구에서 연구진이 개발한 촉매는 크기가 서로 다른 기공(구멍)이 송송 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 가진다. 지름을 기준으로 마이크로 기공(<2nm), 메조 기공(2~50nm), 마크로 기공(>50nm)이다.

이후 연구진은 각 나노 기공이 촉매의 활성에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과 지름이 2~50nm 크기인 메조 기공은 화학반응이 일어나는 촉매의 표면적을 넓혀, 전기화학적 활성을 높이는 역할을 하는 것으로 나타났다. 한편 마크로 기공은 반응에 참여하는 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 수송시켜, 성능 향상에 기여하는 것으로 밝혀졌다.

▲ 연구진은 개발한 계층적 다공 나노구조 촉매가 전기화학적 활성 표면적을 가장 효율적으로 가용할 수 있는 구조임을 규명했다.

이어 연구진은 개발한 촉매를 연료전지에 적용해, 구동 성능을 분석했다. 그 결과 계층적 다공 나노구조의 도입으로 인해 연료전지의 성능이 향상됨을 확인했다. 개발된 촉매를 사용한 연료전지는 10000회 이상 구동해도 활성의 저하 없이 안정된 성능을 유지했다.

이번 연구는 계층적 다공 나노구조를 도입한 탄소 촉매가 기존 값비싼 백금계 연료전지촉매를 대체할 새로운 전략이 될 수 있음을 제시했다는 의미가 있다. 연구팀은 이번 연구가 차세대 연료전지촉매 개발은 물론, 다양한 전기화학 응용장치의 효율 증대에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲ (왼쪽부터) IBS 나노입자 연구단 현택환 단장, 성영은 부연구단장, 이수홍‧김지헌‧정동영 연구원

성영은 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성의 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "추후 학문적 발전뿐만 아니라 수소연료전지 자동차의 산업적 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구결과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS) 2월 6일자 표지논문으로 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬