한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 서울대 공동 연구진과 함께 일체형 재생 연료전지의 촉매 제조에 필수적인 고가의 귀금속 이리듐의 함량을 최대 80% 이상 줄일 수 있는 이중도금 전극 기술을 개발했다.
촉매는 재생 연료전지의 느린 산화·환원 반응 속도를 높이는 역할을 한다. 이렇게 빨라지는 전기화학반응은 물의 전기분해와 수소 생산에 들어가는 전력소비를 낮추게 된다. 하지만 기존의 수전해 장치는 수소 생산 효율을 높이기 위해 상당량의 이리듐(2mg/㎠ 이상)이 사용돼 왔다.
기존의 일반적인 전극 제조방식은 촉매 입자와 고분자 접착제(이오노머)를 균일하게 섞어 촉매 층에 스프레이로 분사하는 방법을 사용했다. 하지만 스프레이 방식으로 제조된 경우 촉매가 뭉치고 접착제가 일부 촉매를 가려 촉매의 활성면적이 감소한다.
도금 방식은 접착제가 없어도 촉매 간 결합, 촉매와 전극 간 결합이 양호하다. 전극에 아주 얇게 코팅할 수 있고 친수성을 가져 적은 양의 촉매로도 높은 활성도를 얻을 수 있다.
KIST 연구진은 높은 성능을 갖는 도금전극을 만들기 위해 촉매 층 밑에 반원형태로 제어된 촉매지지체를 만들고 위에 수전해 촉매를 형성하는 이중도금 기술을 개발하는 데 성공했다.
연구진은 촉매의 활성 표면적이 기존 단일도금 전극보다 2.5배 이상 증가하고 촉매 담지량 당 전류밀도(A/mgIr)는 단일도금 전극의 2.1배, 스프레이 전극과 비교하면 56배가 향상된 성능을 보였다고 밝혔다.
전세계적으로 수전해·재생연료전지 시스템의 상용화 기준점으로 불리는 귀금속 질량당 목표치 0.01gIr/kW를 달성했다.
KIST 박현서 박사는 “귀금속 함량이 낮으면서도 성능과 안정성이 우수한 이중도금 기술 전극이 일체형 재생연료전지뿐만 아니라 산소 발생 반응을 포함하는 이산화탄소환원전지, 질소환원전지 등 여러 친환경 연료전지 분야에서도 폭넓게 응용될 수 있기를 기대한다”라고 의의를 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업 및 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재됐다.