수소차 연료전지 백금 촉매, 1천분의 1로 싸진다

KAIST, 비귀금속 촉매 개발···연료전지 공기극 내 단일 원자 촉매 고활성 메커니즘 규명

수소 연료전지에 쓰이는 백금 촉매에 비해 가격이 1천분의 1에 불과한 대체 소재가 나왔다. 

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 포스텍 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 비귀금속 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

수소차에 쓰이는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 매우 느려, 이를 높이기 위해 전극에 다량의 백금 촉매가 필요하다.

공동연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 '단일 원자 철-질소-탄소-인 소재'를 개발하고, 활성 메커니즘을 규명했다고 밝혔다. 이 촉매는 상용 제품에 쓰이는 PEMFC 뿐 아니라, 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에도 적용 가능하다. 이 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변에 질소와 인이 결합된 구조다.

철-질소-탄소-인 원자분산촉매의 투과 현미경 이미지 (위)와 고활성 메커니즘(아래) (자료=KAIST)

조은애 교수는 "기존 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가해 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다"라며 "연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하기는 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해 모두 성능을 높이는데 성공했다"라고 말했다.

이 연구는 한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 학술지 '에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)'에 최근 게재됐다. 논문 제목은 Transformation of the Active Moiety in Phosphorus-Doped Fe-N-C for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction 이다.