[더리포트=이진수기자] 수소전기자동차는 짧은 충전시간과 긴 주행거리 등의 장점을 바탕으로 내연기관차를 대체하는 친환경 이동수단으로 기대된다. 하지만 연료전지 촉매로 사용되는 백금의 높은 단가는 수소전기자동차의 보급을 제한하는 원인이다. 연구 현장에서는 백금을 대체하기 위해 철, 코발트 등 비귀금속계 촉매를 주목하고 있으나 여전히 낮은 성능과 안정성으로 백금의 대체가 어려운 상황이다.

이러한 가운데 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 경희대학교 김진수 교수, 강원대학교 임형규 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 코발트 나노입자 형태 촉매보다 약 40% 향상된 성능과 안정성을 가진 단원자 코발트 촉매를 제조했다고 3일 밝혔다.

기존 촉매의 경우 전이금속 전구체, 탄소구조체등을 단순 혼합하고 700~1000℃에서 열분해 과정을 통해 만들었다. 이 경우 금속의 뭉침현상, 낮은 비표면적 등으로 활성을 향상하는 데에 한계가 있었다. 이 때문에 학계에서는 단원자 촉매를 주목했으나 기존 보고된 단원자 촉매는 입자 종류에 따라 사용되는 화학물질과 합성법이 달라지기 때문에 소량생산만이 가능했으며 공정보다는 성능향상에 연구가 강조되는 실정이었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 공업용 가습기를 이용한 스프레이 열분해법을 도입했다. 스프레이 열분해법은 가습기의 액적(droplet,방울)을 빠르게 열처리하여 액적모양의 입자를 얻는 방법이다. 이 방법은 연속적인 공정으로 대량생산이 가능하고 공업용 가습기를 통해 입자를 만들기 때문에, 물에 잘 녹는 물질을 사용하면 어떠한 금속이라도 입자를 쉽게 제조할 수 있다.

이를 통해 개발한 코발트 탄소 단원자 촉매는 실제 연료전지 구동시 기존대비 40%우수한 연료전지 성능과 함께 안정성 면에서도 탁월한 것을 확인했다. 또한 그동안 코발트 촉매는 연료전지에 부반응을 일으키는 촉매로 보고가 되어 왔는데, 이 방법으로 제조된 촉매는 연료전지에 정반응을 일으키는 촉매임을 계산과학으로 증명했다.

KIST 유성종 박사는 “본 연구를 통해 코발트 기반 단원자 촉매를 획기적으로 대량생산할 수 있는 공정이 개발되었고, 면밀한 분석 및 계산과학을 통해 코발트 촉매의 작동원리에 대한 메커니즘을 규명했다. 이번 결과는 향후 코발트계 촉매 연구에 지표가 될 것으로 기대된다.”라며 “향후 연구의 범위를 확장하여 연료전지용 촉매뿐만 아니라 환경촉매, 수전해, 배터리 분야 등 모색할 계획이다.”라고 밝혔다.