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주상훈 교수(오른쪽)와 사영진 연구원(왼쪽)이 촉매합성법에 관해 의논하고 있다. UNIST 제공


울산과학기술대학교(UNIST) 연구진이 수소차에 쓰이는 수소 연료전지를 저렴하게 만들 수 있는 촉매 합성법을 개발했다.

주상훈 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀은 ‘철과 질소가 포함된 탄소 촉매(Fe-N/C, 이하 탄소 촉매)’의 성능을 높이는 새로운 촉매 합성법을 개발했다. 이번 기술로 저렴한 고성능 연료전지 상용화가 앞당겨져 수소차 대중화가 가속화될 전망이다.

이번 연구는 주 교수 주도로 이뤄졌으며 △사영진 UNIST 연구원 △우진우 UNIST 연구원 △신현석 UNIST 교수 △정후영 UNIST 교수 △신태주 UNIST 교수 △김태영 한국에너지기술연구원 박사 △김민규 포항가속기연구소 박사 △김철성 국민대 교수가 참여했다.

수소 연료전지는 수소와 산소를 결합해 전기와 물을 만들어낸다. 이 과정에서 촉매가 필요한데, 지금까지 상용화된 연료전지에는 귀금속인 백금이 사용됐다. 하지만 백금 가격은 1g 당 5만 원을 넘기 때문에 수소 연료전지의 대중화에 걸림돌이었다.

백금을 대체할 후보물질 중 탄소가 가장 높은 성능을 보였다. 탄소의 효율성이 백금 촉매와 유사하면서 백금보다 저렴하기 때문. 하지만 이 물질은 고온 열처리를 통해 합성되기 때문에 촉매 활성점(촉매에서 반응물과 결합해 반응이 진행되는 위치)이 파괴되는 문제점이 있었다.

주 교수팀은 이를 해결하기 위해 ‘실리카 보호층’을 도입했다. 실리카 보호층은 촉매 활성점이 파괴되는 걸 막았고, 고온 열처리 과정 후에도 촉매 활성점을 효과적으로 유지시켰다.

이번에 개발한 탄소 촉매는 미국 에너지부(DOE)에서 제시한 2020년 비귀금속 촉매 성능 목표치인 300A/㎤를 넘긴 320A/㎤를 달성했다. 이 촉매를 이용한 알칼리 연료전지(수소 연료전지의 일종)는 비귀금속계 촉매 중 가장 높은 성능을 구현하는 데 성공했다.

주 교수는 “새롭게 개발한 비귀금속계 촉매 합성을 통해 연료전지 상용화에 한 단계 다가갈 수 있을 것으로 기대된다”며 “이번 연구에서 개발한 합성법은 연료전지 외에도 다양한 에너지 변환 및 저장 장치에 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 미국화학회지 ‘Journal of the American Chemical Society’에 논문명 ‘A General Approach to Preferential Formation of Active Fe-Nx Sites in Fe-N/C Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction’으로 11월 2일(수) 온라인판에 공개됐다.



▶에듀동아 온라인뉴스팀

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