- GIST 이재영·KAIST 김형준 교수 공동연구  
- 철 기반 비귀금속 촉매의 내구성 극대화  
- 물리화학 세계적 학술지 JPCL 논문 게재

광주과학기술원(GIST·지스트) 애틀(Ertl) 탄소비움연구센터 이재영 교수(지구·환경공학부)와 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 화학과 김형준 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 2019.05.30 (사진=광주과학기술원 제공)

광주과학기술원(GIST·지스트) 애틀(Ertl) 탄소비움연구센터 이재영 교수(지구·환경공학부)와 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 화학과 김형준 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 연료전지 공기극 반응인 산소환원 반응 성능을 결정짓는 정확한 요인을 각각 실험과 계산화학으로 관찰했고, 이를 토대로 고성능, 고내구성의 저가 비귀금속 철 기반 산소환원반응 촉매를 개발했다. 

이번 성과는 수소경제 구현을 위한 고성능 연료전지 개발과 관련해 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가된다. 

공기극 산소환원 반응은 느린 반응 속도와 함께 높은 과전압이 요구돼 연료전지효율 향상에 걸림돌로 작용하고 있다. 현재는 백금이 가장 적합한 촉매로서 평가받고는 있으나 고가인데다 제한된 자원으로 수소전기차 가격 경쟁력의 제한요인이 되고 있다. 이로 인해 가격 경쟁력이 높은 비귀금속 기반의 우수한 성능과 내구성을 보유한 촉매제조 관련 연구가 주목받고 있다. 
  
비귀금속 촉매개발에서 가장 중요한 점은 산소환원 반응 성능을 결정하는 변수를 찾고 이에 기반한 최적의 촉매를 설계하는 것으로, 변수를 찾아내기 위해서는 전기화학적 실험과 최신계산이론에 근거한 뒷받침이 필요하다. 

연구팀은 전기방사법을 통해 니켈과 코발트, 철, 은과 같은 다양한 비귀금속을 담은 탄소나노섬유 촉매를 제조한 뒤 이를 활용해 수용액상에서 산소의 환원반응 성능을 비교했다. 

물질이나 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 밀도범함수 이론에 기반해서 제조된 촉매의 구조와 일함수 등을 계산했고 촉매 성능과 상관관계를 갖는 변수발견을 시도한 결과, 철 기반의 탄노나노섬유가 최적의 일함수를 가지고, 산소환원 반응에 대한 가장 높은 성능을 나타낸 것으로 확인됐다.

또 높은 성능과 내구성을 만족하는 비귀금속 산소환원 반응 촉매를 디자인하는 것이 중요했는데 연구팀은 철 기반의 탄소나노섬유의 내구성을 극대화시키기 위해 10%의 코발트를 포함시켜 우수한 가속내구성 평가 결과를 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 "이번 연구는 활성이 있는 것으로 보고되고 있는 철 기반 비귀금속 촉매의 내구성 문제를 실험과 계산으로 해결한 것"이라며 "알카라인 수소기반 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.  

GIST 이재영 교수와 KAIST 김형준 교수가 주도하고 KAIST 하윤후 박사과정생(공동 1저자)과 GIST 강신우 석사과정생(공동 1저자)이 주도적으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐으며, 물리화학 분야 세계적 학술지인 'Journal of Physical Chemistry Letters' 온라인 판에 게재됐다.