이 보도자료는 미래창조과학부 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

* 연료전지 촉매: 연료전지가 전력을 생산하기 위해서는 산소분자(O₂)가 산소원자(O)로 분해되어야만 하며, 이때 필수적으로 촉매가 필요

* 논문 제목: 산소환원용 무금속 촉매(Metal-Free Catalysts for Oxygen Reduction Reaction)

 * 논문인용지수(Impact Factor, IF): 해당 저널에 게재된 논문이 1년간 인용된 평균 횟수로, 저널의 영향력을 나타내는 대표적 지표

 * 기후변화 대응을 위한 「에너지 신산업 및 핵심 기술개발 전략」이행계획(’15.4.22)

* 그래핀: 탄소 원자들이 6각형 벌집구조로 배열된 원자막으로, 전류수송(구리의 150배), 강도(강철의 200배), 투명도(98%) 등 물성이 우수해 ‘꿈의 나노소재’로 불림

* 쇠구슬을 이용해 흑연을 고속분쇄함으로써 탄소 물질(그래핀)에 다른 원소가 도핑된 탄소기반 촉매를 대량생산하는 공정

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로서, 기존의 발전방식(수력, 화력, 원자력 등)과 비교하였을 때 높은 전기 발전 효율(~70%)을 보이고 부산물로 물(H₂O)을 배출해 환경오염에서 자유로운 친환경에너지 변환 장치이다. 또한, 규모에 따른 에너지 전환 효율 차이가 크지 않아 소형에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있는 미래 에너지 중 하나이다. 하지만, 연료전지를 구성하는 물질 중 수소의 산화가 이루어지는 음극 (Anode)과 산소의 환원이 이루어지는 양극 (Cathode) 모두에 사용되는 백금 촉매는 가격이 매우 비싸고, 수소를 제외한 다른 연료(알코올)를 사용하거나, 일산화탄소에 의한 피독(연료전지가 죽는) 현상에 의해 낮은 내구성 때문에 상업화에 어려움을 격고 있다. 이러한 백금촉매의 낮은 안정성은 상용화에 필요한 수준에 도달하지 못하고 있으며, 백금촉매를 대체하거나 최소로 사용하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 다양한 연구들 중에서 결정성 탄소 물질의 뛰어난 안정성에 기반을 둔 무금속 촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 탄소물질들에는 흑연, 다이아몬드, C₆₀*, 탄소나노튜브**, 그래핀***, 3차원 그래핀-탄소나노튜브 등이 있고, 이종 원소가 도핑(도입)된 결정성 탄소물질이 주목을 받고 있다. 하지만, 탄소기반 물질은 전기화학적으로 촉매 활성이 낮아 비금속계 이종원소 (N, P, S, Se, F, Cl, Br, I)의 도핑을 통해 탄소물질에 전기화학적 활성을 부여하는 실험이 주를 이루고 있다. 본 리뷰는 이러한 다양한 탄소기반 무금속 촉매의 연구 동향 및 전망을 총론 함으로서 연료전지의 상용화를 앞당기기 위한 연구 방향을 제시하고자 하였다. 

* C₆₀: 탄소원자 60개가 축구공 모양으로 결합하여 형성된 구조체(0 차원)

** 탄소나노튜브: 탄소원자가 육각형 벌집모양으로 서로 연결되어 원통형으로 말린 1차원 구조체(1차원)

*** 그래핀: 탄소원자가 육각형 벌집모양으로 서로 연결되어 2차원 평면으로 배열된 구조체(2 차원)

2. 연구내용

본 연구팀은 백금을 대체하기 위한 탄소기반 무금속 촉매에 관한 연구를 총설 하였으며, 탄소 물질들의 특성과 산소환원반응에 대한 이해를 돕고, 결정성 탄소 구조체에 이종원소의 부여(도핑)를 통한 촉매 활성 향상에 대한 다양한 연구 결과들을 총론 하였다. 또한, 무금속 산소환원 촉매의 연구 동향 및 전망을 제시하였다. 

3. 기대효과

연료전지가 개발되어 1960년대 달에 착륙한 아폴로 우주선의 전기공급장치로 연료전지(알칼리연료전지)가 처음 사용된 이 후 50년간 상용화에 어려움을 격고 있는 이유가 값이 비싸고 내구성이 떨어지는 백금촉매를 사용하기 때문이다. 백금촉매를 능가하는 성능을 발현하고 내구성이 뛰어난 신소재가 개발되면 제 2의 산업혁명(현 인류가 직면한 최고의 문제인 에너지 문제 해결)이 초래될 것으로 기대되고 있다. 따라서 백금촉매를 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있고, 그 중 금속이 가지는 약한 내구성을 대체 할 수 있는 탄소물질 기반의 무금속 촉매는 높은 잠재력을 가지고 있어 최근 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구진은 탄소기반 무금속 촉매의 연구 동향 및 전망에 대해 우수한 성과들을 도출하였고, 이를 바탕으로 지금까지 진행된 연구성과들을 총론 함으로서 많은 연구진들이 널리 인용하고 앞으로 진행해야 할 연구 방향을 제시하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 또한, 간단하고 효율적으로 대량생산이 가능한 탄소기반 촉매 제조법이 구축되고, 탄소기반 무금속 촉매가 극복해야할 과제인 백금에 근접한 촉매 활성에 대한 연구가 더 진행이 된다면 향후 백금을 대체할 탄소기반 무금속 촉매의 상용화를 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다. 

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

탄소 기반 무금속 산소환원 촉매를 총론 함으로서 지금까지의 연구 동향 및 앞으로의 전망을 통해 많은 연구자들의 연구활동에 도움이 될 것으로 기대됨. 

2. 어디에 쓸 수 있나

연료 전지 및 금속 공기 전지와 같은 에너지변환 소재의 촉매로 활용

3. 실용화까지 필요한 시간은

1~2년

4. 실용화를 위한 과제는

연료전지의 상용화에 있어 가장 문제 되는 것은 고가의 백금 촉매를 대체 하는 것이므로 탄소기반 무금속 촉매를 사용하여 연료전지 셀 제작비용을 절감할 것으로 기대됨. 현재 안정성 및 활성은 우수하다는 것은 이미 여러 논문을 통해 검증되었으나, 개시전압이 아직 백금에 미치지 못하는 것으로 알려져 있어 실용화를 이루기 위해서는 개시전압을 백금에 근접하게 향상시키는 것이 이뤄져야 함. 

5. 연구를 시작한 계기는

본 연구팀의 연구 활동을 바탕으로 탄소기반 무금속 산소환원 촉매에 관한 연구들을 총론하게 됨.

6. 에피소드가 있다면

저널의 권위가 높고, 논문의 분량이 많아서 출판되기까지 2년이 넘는 시간이 걸림.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

대량생산 가능한 탄소기반 무금속 촉매 제조 및 탄소기반 무금속 촉매를 이용해 활성 및 안정성은 물론, 개시전압이 백금촉매에 버금가는 촉매를 값싸게 제조하는 것이 목표임.

8. 신진연구자를 위한 한마디

열정과 자신감을 가지고 성실히 연구한다면 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것임. 

[붙임] 용어설명

1. CHEMICAL REVIEWS 誌

○ 미국화학학회(American Chemical Society)가 매월 간행하는 화학 분야 최고 권위의 총설 전문지

○ 논문인용지수(Impact Factor)가 45.661로 세계 3대 과학저널로 불리는 Nature(네이처, IF = 42.351), Science(사이언스, IF = 31.477), 셀(Cell, IF = 33.116)보다 높아 세계적인 영향력을 지닌 저널

2. 무금속 (Metal free)

○ 금속이나 준금속이 아닌 화학원소. 일반적으로 탄소, 질소, 산소, 인, 황, 셀레늄 등이 포함됨. 

3. 산소환원반응 (Oxygen Reduction Reaction)

○ 연료전지 양극촉매로 산소분자(O=O)를 산소원자(O)로 분해하는 역할

[붙임] 그림 설명