포스텍, 수소연료전지 비귀금속 촉매 내부 들여다보고 성능 높였다

"수소연료전자 상용화에 한걸음 가까와져"

국내 연구진이 귀금속을 쓰지 않아 가격이 낮으면서 내구성이 좋은 수소연료전지 촉매를 만들었다. 

포스텍은 화학과 최창혁 교수 등 공동 연구팀이 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매 성능을 떨어뜨리는 주요 원인을 밝히고, 내구성을 높일 합성 전략을 제시했다고 6일 밝혔다. 이 연구는 학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 최근 게재됐다.

최창혁 포스텍 교수 등 공동연구진 (사진=포스텍)

철을 기반으로 한 철-질소-탄소 촉매는 수소 연료전지에서 값비싼 귀금속 대신 쓰인다. 하지만 수소차 등에 실제로 적용하면 촉매 열화 현상으로 연료전지 성능이 급격히 떨어진다는 문제가 있다.

최창혁 교수와 KAIST 김형준 교수, KIST 오형석 박사 공동 연구팀은 수소 연료전지 구동 중 실시간으로 전극 열화를 모니터링하는 질량 분석기(ICP-MS) 기반 분석 시스템을 이용했다. 

이 시스템으로 촉매의 변화를 추적한 결과, 전지에 전압이 가해지면 촉매를 구성하는 철 이온이 전해질 속으로 용출(涌出)되었다. 이 때문에 촉매에서 특정 화학 반응을 촉진하는 부분인 활성점(active site) 금속인 철의 밀도가 급격하게 감소하며 촉매 안정성이 낮아져 전지에 흐르는 전류량이 감소했다. 

연구팀은 시간에 따른 촉매 활성 감소 원인을 활성점 밀도와 전환빈도(turnover frequency)의 변화로 밝혀냈다. 전환비도는 활성점 당 단위시간에 전환되는 분자의 개수를 말한다. 

시간에 따른 철-질소-탄소 촉매의 열화 메커니즘을 나타낸 모식도 (자료=포스텍)

이어 연구팀은 전지 온도와 기체 조성, 산성도(pH) 등 조건이 철의 용출과 전지 성능에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 온도와 산성도는 용출되는 철의 양을, 기체 조성은 용출된 철 이온의 상(phase)을 결정하는 데 큰 역할을 했다.

이를 바탕으로 연구팀은 철-질소-탄소 촉매의 내구성을 높이기 위한 합성 전략을 제시했다. 연구팀은 철 이온 주변에 안정제 금속 이온을 도입해 활성점 금속인 철의 용출을 완화했다. 이를 수소 연료전지 양극에 적용해 전지의 안정성과 내구성을 높였 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다.

최창혁 교수는 "철-질소-탄소 촉매의 내구성을 저하시키는 요인을 명확하게 규명했다"라며 "수소 연료전지를 포함한 다양한 신재생 에너지 분야에서 전지의 효율을 높일 촉매 역할을 하기 바란다"라고 말했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래소재디스커버리 지원사업과 집단연구지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 논문 제목은 Unravelling the complex causality behind Fe-N-C degradation in fuel cells 이다.