수소 연료전지를 기존 귀금속 백금 소재 대비 1천배 이상 저렴한 소재로 구현할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 포스텍(POSTECH) 화학공학과 한정우 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금을 대체할 수 있는 비귀금속 촉매를 개발하고, 이 소재의 고활성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다. 

수소차에 사용되는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 전극 촉매로 많은 양의 백금 촉매를 사용한다. 특히 연료전지 공기극에서의 전기화학 반응은 속도가 느려 이를 높이기 위해 전극에 많은 양의 백금 촉매가 필요하다.

공동연구팀은 백금을 대체할 수 있는 공기극용 ‘단일 원자 철-질소-탄소-인 소재’를 개발하고 활성 메커니즘을 규명했다. 

이 촉매는 상용제품에 적용되고 있는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC) 뿐만 아니라 차세대 연료전지인 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에도 적용이 가능하다. 새로 개발한 소재는 탄소에 미량의 철 원소가 원자 단위로 분산돼 있고, 그 주변을 질소와 인이 결합하고 있는 구조다. 

조은애 교수는 “기존의 단일원자 철-질소-탄소 촉매의 활성부에 인을 첨가함으로써 한계를 극복하고 성능 향상에 성공했다”고 밝혔다.

이어 “연료전지는 복잡한 반응 장치라서 새로운 촉매가 개발되더라도 실제 연료전지에 적용하는 것은 어려운 경우가 많은데, 이번에 개발한 촉매는 양이온 교환막 연료전지와 음이온 교환막 연료전지에 적용해서 모두 성능을 높이는데 성공했다”고 말했다. 

한국에너지기술평가원이 추진하는 에너지인력양성사업과 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 미국화학회 촉매 분야 저명 국제 학술지 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’ 2023년 7월3일자 온라인판에 출판됐다.