나노튜브 신소재로 값비싼 연료전지 백금 촉매 대체한다

KIST, "저렴하고 안정한 나노튜브 구조 루테늄 칼코게나이트 소재 개발"

나노튜브 구조를 적용, 수소 연료전지에 쓰이는 비싼 백금 촉매를 대체할 저렴하고 안정성 높은 촉매를 만들 수 있게 됐다.  

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 초미세 나노튜브 신소재를 도입, 산소환원 반응 성능이 좋고 안정성이 높은 금속 칼코게나이드 나노튜브를 합성했다고 밝혔다. 

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하며, 산소족 원소로 불린다. 칼코겐 원소가 전이금속 원자와 결합하면 금속 칼코게나이드라고 불리는 2차원 시트 구조의 반도체 물질이 된다. 이들은 다양한 형태로 존재하며, 각기 다른 전기적·광학적·촉매적 활성을 나타낸다. 그 중 금속성을 띠는 1T상 물질은 전기전도성과 촉매 성능이 좋다. 하지만 안정성이 낮은 준안정상이라 촉매 반응 중 공기 노출이나 전기화학 반응 등에 의해 쉽게 상변이가 일어나 활성을 잃는다는 약점이 있다. 

루테늄 칼코게나이드 초미세 나노튜브의 합성과정 및 투과전자현미경 사진, EDS 원소 맵핑 이미지 (자료=KIST)

KIST 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 1T 물질의 하나인 루테늄 칼코게나이드를 단일벽 나노튜브 형태로 합성해 이같은 문제를 극복했다. 이 구조는 표면 곡률이 높아 커다란 장력이 유도되기 때문에 연료전지 구동 중에도 장력에 의해 촉매의 원자 배열이 안정하게 존재했다. 그 결과 촉매도 안정화될 수 있었다.

개발한 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 수소연료전지 산소환원반응 촉매로 활용하면 기존 백금 촉매보다 성능은 2배, 내구성은 10배 이상 높아짐을 확인했다고 연구진은 밝혔다. 이는 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 영향을 미치기 때문임을 컴퓨터 시뮬레이션으로 규명했다. 

나아가 다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성을 높일 수 있음을 보였다. 합성 방법이 간단해 앞으로 다양한 물질에 확대 적용되며 더욱 높은 성능의 소재 개발로 이어지리란 기대다. 

유성종 박사는 "나노튜브 구조체를 이용하면 기존 0차원 나노입자나 2차원 나노시트 구조로는 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능해질 것"이라며 "지금까지 내구성이 낮아 활용이 제한적이었던 다양한 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용할 수 있으리라 기대하며, 수소경제 안착과 탄소 중립 기술 개발에 힘쓰겠다"라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 나노 및 소재 기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 최신호에 실렸다.