연료전지 촉매효율 5배↑…흡착문제 해결
저비용·고효율 연료전지 개발 촉진 기대
[에너지신문] 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요 없는 나노구조의 금 박막을 개발했다.
이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노 구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명했다고 밝혔다.
금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다.
그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다는 어려움이 있다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다.
그러나 연구팀의 이번 나노 구조화 된 금 박막을 개발로 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시켜 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있게됐다.
또한 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 발생한 문제도 해결가능케 됐다.
연구진은 이 문제를 해결키 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아지는 결과를 도출해 냈다.
김상훈 KIST 박사와 박정영 IBS 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”라며 “이번 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.