'백금' 대체할 차세대 연료전지 촉매 개발

GIST-켄텍 공동…팔라듐 소재 활용 성능·내구성 동시에 잡아

백금 성능을 넘어서는 차세대 연료전지 촉매가 개발됐다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 화학과 임현섭 교수와 한국에너지공과대학교(KENTECH) 홍종욱 교수 공동연구팀이 기존 상용 백금 촉매(Pt/C)보다 우수한 전기화학 성능과 내구성을 가진 차세대 연료전지용 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구진은 복잡한 공정 없이 단일 유기금속 전구체를 설계했다. 이를 정밀하게 열처리하는 방식으로 다양한 팔라듐 셀레나이드(Pd-Se) 결정상이 공존하는 ‘혼합상 나노구조체’를 합성하는데 성공했다.

백금 대체 촉매를 개발한 연구진. 왼쪽부터 GIST 화학과 임현섭 교수·홍석원 교수, KENTECH 홍종욱 교수, GIST 화학과 김현주 박사과정생.

이를 합성한 결과 산소환원반응 속도가 빨라지고, 에너지 손실은 줄어드는 효과가 나타났다.

연구진은 "여러 결정상이 공존하는 혼합상 물질에서 단일상 기반 기존 백금 촉매보다 뛰어난 반응 효율과 내구성을 확인했다"고 설명했다.

1000°C 에서 합성된 Pd-Se 촉매는 산소환원반응 전압이 0.931V나 됐다. 상용화된 백금 기반 촉매보다 월등히 높은 수치다.

연구진은 "이는 동일 조건에서 산소가 더 적은 에너지로 환원될 수 있다는 의미"라며 "Pd-Se 촉매의 우수한 전기화학적 활성을 보여주는 대표적인 지표"라고 말했다.

연구진은 또 "내구성 테스트 2만 회 후에도 반응 전압의 변화가 단 7mV에 불과했다"며 "장시간 사용 환경에서도 안정성이 뛰어남을 확인했다"고 부연설명했다.

GIST와 KENTECH 연구진이 개발한 팔라듐 셀레나이드(Pd-Se) 다상 구조 구성과 성능 지표.(그림=GIST)

임현섭 교수는 “고성능 연료전지, 메탈에어 배터리, 수전해 시스템 등 차세대 친환경 에너지 분야의 핵심 기술로 활용될 수 있는 가능성이 매우 크다”고 밝혔다.

이 연구는 GIST 화학과 임현섭 교수와 홍석원 교수, 한국에너지공과대학교(KENTECH) 홍종욱 교수가 지도하고 GIST 화학과 김현주 박사과정생이 수행했다.

연구결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 게재됐다.