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인공번개로 '알칼리 연료전지 단일 원자 촉매 양산' 합성법 개발
인공번개로 '알칼리 연료전지 단일 원자 촉매 양산' 합성법 개발
  • 이진수 기자
  • 승인 2021.08.19 18:00
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[더리포트=이진수기자] 국내연구진이 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다.

19일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀에 따르면 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다.

연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 

인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. (사진=한국과학기술연구원)
인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. (사진=한국과학기술연구원)

또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다.

KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다.


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