Press release

2015. 06. 04. (목)부터 보도해 주시기 바랍니다.

이 보도자료는 미래창조과학부 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

우리나라 연료전지용 탄소 촉매 기술에 관련학계 ‘주목’

UNIST 백종범 교수 연구팀, 세계 정상급 과학 저널 통해 총론 발표
그래핀에 다른 원소 첨가해 고성능 촉매 개발... 값비싼 백금 대체 가능성 높여

□ UNIST(울산과기대) 백종범 교수 연구팀이 연료전지에 필수적인 촉매* 제조에 사용되는 값비싼 백금을 대체할 수 있는 뛰어난 안정성과 성능을 지닌 ‘탄소기반 촉매’ 개발에 대한 총설 논문을 세계 정상급 과학 저널인 ‘케미컬 리뷰(Chemical Reveiws)’紙 온라인판에 5월 4일 발표했다.

* 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)

ㅇ 케미컬 리뷰紙는 논문인용지수*(45.661)가 네이처(42.351), 사이언스(31.477), 셀(33.116)보다도 높은 세계적인 영향력을 지닌 저널이며, 총설 논문이란 해당 분야에서 연구팀의 그간 성과, 연구동향 및 전망을 집대성한 내용을 담은 것으로 많은 연구자들에게 인용된다.

- 특히 연구팀의 논문은 케미컬 리뷰가 자체 집계한 ‘지난 1개월간 가장 많이 읽힌 논문’ 톱 5에 들 정도로 주목을 받았다.

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

 

□ 연료전지란 촉매를 이용하여 연료(수소 등)와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로, 에너지 변환 효율이 높고(70% 내외) 부산물로 물만 발생되기 때문에 친환경에너지 기술로 주목을 받고 있다.

ㅇ 정부도 ‘기후변화대응을 위한 6대 핵심기술*’ 분야 중 하나로 연료전지 분야를 중점 육성하고 있으며, 지난 6월3일 착공한 진천 친환경에너지타운에도 연료전지 기술이 사용될 예정이다.

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

 

□ 연료전지 상용화의 가장 큰 어려움은 현재 촉매 재료로 사용되고 있는 백금 촉매의 비싼 가격(kg당 1억원 이상)과 낮은 안정성(사용할수록 성능이 급격히 저하) 때문으로, 백금을 다른 재료로 대체하거나 사용을 최소화하려는 다양한 연구가 활발하다.

□ 연구팀은 탄소로 이루어진 물질이 안정성 면에서 뛰어나다는 점을 이용, 그래핀*에 비금속 원소(질소, 황, 요오드 등)를 첨가(도핑)하는 방법으로 촉매 특성을 향상시키는 연구에 주력하여 왔으며, 총론을 통해 그간의 성과와 향후 연구방향 등을 제시하였다.

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

 

ㅇ 연구팀은 유독물질을 사용하지 않고도 그래핀 기반의 촉매를 값싸게 대량으로 제조할 수 있는 자체 개발한 볼밀링법(ball milling)*에 기반하여 연구를 수행해 왔으며, 이에 대해 총설에 자세히 소개하였다.

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

 

- 이 기술은 그래핀의 고유한 형태와 성질을 손상시키지 않고도 비금속 원소를 첨가할 수 있어 촉매로서 필요한 성능을 부여할 수 있다.

- 실제로 이 방법으로 개발한 촉매가 안정성은 백금에 월등히 앞서고(10배 이상), 전력 생산에 있어서도 백금을 능가하거나 대등한 성능을 보여 백금 대체가 가능함을 보여주었다.
ㅇ 또한 연구팀은 현재 0.1볼트 수준인 탄소기반 촉매의 개시전압을 백금과 같은 ‘제로’ 수준으로 낮추는 것 등을 향후 연구의 주요 과제로 제시하였다.

□ 백종범 교수는 “기존 백금 촉매의 제조비용이 1kg당 1억원 이상인 반면, 탄소 촉매의 경우 그 1%도 안되는 1kg당 1백만 원 이하에 공급이 가능하면서도 뛰어난 안정성과 성능을 보인다”고 설명하며,

ㅇ “연료전지용 탄소 촉매에 관한 이슈를 정리하고 방향을 제시한 본 총론을 통해 많은 연구자들의 연구 활동에 도움이 되고 연료전지 상용화가 앞당겨지는 계기가 되기를 바란다”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 기초연구사업(중견 및 리더연구자지원)으로 수행되었으며, UNIST 백종범 교수(교신저자), Liming Dai 교수(Case Western Reserve University, 미국), Yuhua Xua 박사(Case Western Reserve University, 미국), Liangti Qu 교수(Beijing Institute of Technology, 중국)가 주도하고 최현정 박사과정(UNIST) 학생이 참여하였다.

자료문의

미래창조과학부: 김성규 기초연구진흥과장, 김응복 사무관 담당 (02)2110-2370

UNIST 에너지 및 화학공학부: 백종범 교수 (052)217-2510

  • 연구 중인 백종범 UNIST 교수
  • 교수님 프로필
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

연료전지화학에너지를 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

그림 1. 다양한 탄소기반 구조체의 모식도. (a) 흑연, (b) 다이아몬드, (c) C60, (d) 탄소나노튜브, (e) 그래핀, (f) 탄소나노튜브-그래핀 복합체. 그라파이트, 다이아몬드, C60, 탄소나노튜브, 그래핀, 3차원 그래핀-탄소나노튜브 기반의 무금속 산소환원 촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그림 2. 연구팀은 주로 탄소원자가 육각형 벌집모양의 평면으로 배열된 그래핀에 다른 원소를 도핑하는 방법으로 탄소기반 촉매의 성능을 높여왔다. 그림은 그래핀에 도핑가능한 원소들을 표시하고 있다.

그림 3. 연구팀이 개발한 볼밀링법의 모식도. 쇠구슬을 이용하여 흑연을 고속분쇄함으로써 흑연이 주위물질과 반응하면서 수소 등이 가장자리에 부착되어 활성화된 그래핀(EFGnPs, Edge-selectively funtionalized graphene nanoplates)이 만들어지고 있다.