[POSTECH·KAIST·KIST, 촉매 성능 저하 요인 규명 및 내구성 향상한 촉매 개발]

수소와 산소만으로 전기를 만드는 수소 연료전지는 친환경 수소 경제의 핵심 기술이다. 이 전지의 양극은 촉매 물질로 덮여있는데, 성능이 좋은 금속은 가격이 비싸고, 저렴한 비귀금속 물질은 내구성이 비교적 낮다는 한계가 있었다. 그런데 최근 POSTECH 연구팀이 내구성과 경제성 측면에서 모두 합격점을 받을 수 있는 수소 연료전지용 촉매를 만들었다.

화학과 최창혁 교수, KAIST(한국과학기술원) 화학과 김형준 교수, KIST(한국과학기술연구원) 오형석 박사 연구팀은 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매 성능을 떨어뜨리는 주요 원인을 밝히고, 내구성을 높일 합성 전략을 제시했다. 이번 연구는 화학 · 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 게재됐다.

철을 기반으로 한 철-질소-탄소 촉매는 수소 연료전지에서 값비싼 귀금속 대신 사용되고 있다. 하지만 수소차 등에 실제로 적용하면 촉매의 열화현상으로 연료전지의 성능이 급격하게 저하된다는 문제가 있었다.

연구팀은 수소 연료전지 구동 중 실시간으로 전극의 열화를 모니터링하는 질량 분석기(ICP-MS) 기반 분석 시스템을 이용했다. 이 시스템으로 촉매의 변화를 추적한 결과, 전지에 전압이 가해지면 촉매를 구성하는 철 이온이 전해질 속으로 용출(涌出)되었다. 그로 인해 활성점(active site)^*1 금속인 철의 밀도가 급격하게 감소하며 촉매의 안정성이 낮아져 전지에 흐르는 전류량이 감소했다. 연구팀은 시간에 따른 촉매 활성 감소 원인을 활성점 밀도와 전환빈도(turnover frequency)^*2 의 변화로 밝혀냈다.

이어, 연구팀은 전지 온도와 기체 조성, 산성도(pH) 등 조건이 철의 용출과 전지 성능에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 온도와 산성도는 용출되는 철의 양을, 기체 조성은 용출된 철 이온의 상(phase)을 결정하는 데 큰 역할을 했다.

이를 바탕으로 연구팀은 철-질소-탄소 촉매의 내구성을 높이기 위한 합성 전략을 제시했다. 연구팀은 철 이온 주변에 안정제 금속 이온을 도입하여 활성점 금속인 철의 용출을 효과적으로 완화했다. 그리고, 이를 수소 연료전지 양극에 적용하여 전지의 안정성과 내구성을 높임으로써 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다.

연구를 이끈 최창혁 교수는 “철-질소-탄소 촉매의 내구성을 저하시키는 요인을 명확하게 규명했다”며, “수소 연료전지를 포함한 다양한 신재생 에너지 분야에서 전지의 효율을 높일 촉매 역할을 하기 바란다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래소재디스커버리 지원사업과 집단연구지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

1. 활성점(active site)
촉매에서 특정 화학 반응을 촉진하는 부분을 말한다.

2. 전환빈도(turnover frequency)
활성점 당 단위시간에 전환되는 분자의 개수다.