[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소 연료전지는 효율이 높고 탄소 배출이 없는 차세대 에너지 변환 장치로 주목 받고 있다. 연료전지에서 발생하는 산소 환원 반응은 반응속도가 매우 느려 연료전지 효율을 낮추는 주요 원인이 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 백금 촉매가 다량 사용돼왔다. 그런데 백금의 가격이 매우 비싸 연료전지 상용화에 큰 걸림돌이 됐다. 이에 연료전지의 가격절감을 위해 백금 촉매를 대체할 비귀금속 촉매 연구가 큰 관심을 끌어왔다.

다양한 비귀금속계 촉매 중 ‘철과 질소가 도핑된 탄소(Fe-N/C) 촉매’가 가장 높은 성능을 보여 백금 촉매를 대체할 물질로 큰 관심을 받아왔다. 고성능 Fe-N/C 촉매를 만들려면 촉매 활성점인 ‘Fe-Nx site’를 풍부하게 만드는 합성법이 필요하다. 하지만 이 촉매 활성점을 만드는 과정에 고온의 열처리가 필요하고, 이때 활성이 없는 철 입자도 함께 형성되기 때문에 충분한 성능을 얻기 힘들었다.

2. 연구내용

본 연구진은 ‘실리카 보호층’을 도입해 촉매 활성점(Fe-Nx site)을 보호하는 전략을 개발했다. 탄소나노튜브를 철 포피린 전구체와 실리카 보호층으로 코팅한 뒤, 고온 열처리와 실리카 에칭 과정을 거치면 탄소나노튜브에 포피린 탄소가 코팅된 촉매(carbon nanotube/porphyrinic carbon, CNT/PC)가 합성된다.

실리카 보호층을 사용해 만든 촉매는 그렇지 않은 촉매에 비해 더 많은 촉매 활성점(Fe-Nx site)을 함유하고 있다. 이번 연구에서는 실리카 보호층과 포피린 전구체에 존재하는 Fe-Nx site이 결함해 고온의 열처리 동안 Fe-Nx site가 안정화돼 보존된다는 것도 밝혔다.

실리카 보호층을 도입해 합성한 촉매는, 그렇지 않은 촉매에 비해 산소 환원 반응의 활성이 최대 15배까지 향상됐다. 또한 CNT/PC 촉매의 산소 환원 반응의 활성은 현재 사용되고 있는 백금 촉매와 유사하다. CNT/PC는 1만 번의 장기 내구성 시험 후 상용 백금 촉매의 활성은 60% 감소한 반면 CNT/PC 촉매의 활성은 잘 유지됐다.

CNT/PC를 연료전지 음극(환원극, cathode) 촉매로 적용해 비귀금속 촉매 기반 고성능 연료전지를 구현했다. 특히 CNT/PC 촉매 기반 알칼리 연료전지(AEMFC)의 성능은 세계 최고 수준이었다. CNT/PC 촉매는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서도 고성능을 보였으며, 부피 성능 기준 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 제시한 2020년 비귀금속 촉매 성능 목표치를 달성했다.

CNT 탄소 담체 이외에 그래핀과 카본 블랙에도 실리카 코팅이 효과적임을 입증했다. 따라서 이번 연구에서 개발한 ‘실리카 보호층’ 전략은 고성능 Fe-N/C 촉매를 합성하는 데 널리 적용될 수 있다.

3. 기대효과

고성능 Fe-N/C 기반 연료전지 촉매를 합성하는 새로운 ‘실리카 보호층’ 전략 개발을 통해 촉매 활성점을 극대화해 산소 환원 반응 활성과 연료전지 성능을 극대화할 수 있었다. 또 이를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속계 촉매 상용화의 한 단계 접근할 수 있었다.

이번 연구에서 개발한 합성법은 다양한 탄소 물질에 일반적으로 적용될 수 있고 연료전지 외의 다른 에너지 변환 및 저장 장치에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 수소 연료전지(hydrogen fuel cell)

수소와 산소에 저장된 화학에너지를 전기에너지로 변환해 인간이 이용할 수 있도록 하는 에너지 변환 장치다. 산화극(anode)에서 수소 산화 반응(hydrogen oxidation reaction)이, 환원극(cathode)에서 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction)이 발생한다. 산화극에서 수소 산화 반응을 통해 생성된 전자가 외부 도선을 통해 환원극으로 전달되는 동안 전류가 만들어져 이용할 수 있다. 반응물로 물만 배출되기 때문에 탄소 배출량이 없어 환경친화적이다.

2. 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction)

수소 연료전지 환원극에서 발생하는 전기화학 반쪽반응이다 (O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O). 산화극의 수소 산화 반응에 비해 약 100만 배 정도 느리기 때문에 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.

3. 도핑(doping)

물질의 특성을 바꾸기 위해 미량의 원소를 넣어주는 것을 의미한다.

4. Fe-Nx site

Fe-N/C 촉매에서 촉매 활성점으로 알려진 위치이다. Fe와 N 원자가 배위결합을 이루고 있는 구조를 의미한다.

5. 촉매 활성점(catalytically active site)

촉매에서 반응물이 화학적으로 흡착하여 촉매 반응이 진행되는 위치이다.

6. 철 포피린(iron porphyrin)

철과 4개의 질소가 배위되어 있는 거대고리 화합물이다.

[붙임] 그림설명