연구진이 개발한 촉매의 주사전자현미경 이미지. 각 촉매의 크기는 (a) 1173 nm, (b) 723 nm, (c) 337 nm, (d) 151 nm. (광주과학기술원 제공) 2020.05.20 / 뉴스1

광주과학기술원(지스트, GIST)은 융합기술학제학부의 박찬호 교수 연구팀이 염기성 조건에서 백금촉배보다 성능이 뛰어난 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

현재의 수소연료전지는 백금을 촉매로 사용한다. 백금의 높은 가격은 수소 연료전지의 가격 경쟁력을 떨어뜨린다. 백금을 대체할 촉매를 찾기 위해 전 세계의 연구자들이 다양하게 연구하고 있다.

촉매는 '나노주형법'으로 만들어졌다. 나노주형법은 뜨거운 쇳물을 틀(주형)에 부어준 후 굳힌 다음 틀을 제거해 원하는 모양을 만드는 방식과 비슷하다. 다른 것은 나노미터(10억 분의 1미터) 규모에서 이뤄진다는 점이다. 나노주형법은 기공을 가진 단단한 금속산화물을 주형틀로 이용해 기공 안에 제조할 소재 화합물을 넣고 다양한 방법으로 굳힌 후에 주형틀만 제거하는 방식으로 물질의 모양을 원하는대로 가공한다.

연구진은 기공이 많은 구형 실리콘 산화물(다공성 구형 실리카)에 철과 질소로 구성된 물질을 담은 후 탄화 시켜 탄소, 철, 질소가 섞인 구형 촉매를 만들었다. 이들은 "이번에 개발한 촉매가 철과 질소간 결합으로 인해 백금 대비 우수한 성능을 나타냈다"고 밝혔다.

탄소 입자 크기에 따른 전해질의 접근성. 입자 크기가 작을수록 전해질이 쉽게 접근해 산소환원반응 성능이 우수하다 (광주과학기술원 제공) 2020.05.20 / 뉴스1

촉매가 전해질과 효과적으로 만나는 탄소 입자 크기를 찾기 위한 실험도 이뤄졌다. 연구팀은 다른 크기의 실리카 주형틀로 촉매의 크기를 조절했다. 여러 크기의 촉매 입자를 만들어 전해질과의 접근성을 살펴봤다.

연구진은 탄소 입자의 크기가 작을수록 탄소 입자와 전해질이 접촉하는 면적이 증가해 산소 환원 반응이 촉진되는 것을 확인했다. 입자가 너무 작을 경우 서로 겹치는 등 성능 감소가 일어나는 것을 고려해 가장 적절한 입자 크기를 실험적으로 찾았다.

박찬호 교수는 "음이온 전해질막 수소연료전지에 사용할 수 있는 비백금계 산소 환원 촉매를 개발했다는데 가장 큰 의의가 있다"며 "저렴한 촉매 개발을 통해 수소 연료전지 단가 절감에 도움이 될 것으로 예상한다"고 말했다.

박 교수가 주도하고 이지연 석사와 석박사통합과정의 김종경 학생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화 대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 응용화학 분야의 학술지 저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)에 게재됐다.