탄소껍질로 비싼 귀금속 촉매 감싸는 단일공정 개발
백금촉매의 나노캡슐화로 백금 내구성 4배 향상 가능
한국연구재단은 권오중 인천대 교수와 임태호 숭실대교수, 성영은 서울대 교수 연구팀이 연료전지의 핵심 요소인 백금촉매의 안정성을 크게 높일 수 있는 탄소 나노캡슐화 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
연료전지는 석유 같은 화석연료 대신 수소 등 연료와 산소를 반응시켜 전력을 생산하려는 친환경 발전시스템을 말한다. 특히 수소는 물을 전기분해해 얻을 수 있어 주목받고 있으며, 수소의 산화를 돕는 백금 촉매 등을 활용하고 있다.
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【서울=뉴시스】탄소 껍질을 가지는 백금 나노입자의 형성 방법과 탄소 껍질의 역할. 백금-아닐린 금속 착물을 탄소 나노섬유에 코팅해 열처리해서 백금 나노입자와 탄소 껍질을 동시에 형성했다. 탄소 껍질은 백금의 용해는 막으면서 산소는 선택적으로 투과해 반응 활성은 유지하면서 내구성을 개선할 수 있는 구조임을 제시했다. (사진/한국연구재단 제공) photo@newsis.com |
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연료전지가 전력을 생산하는 과정에서 산소의 환원을 돕는 백금은 용해되기 쉬워 연료전지의 수명을 늘이는 데 한계가 있다. 이로 인해 화학적 안정성이 높은 탄소 껍질로 귀금속인 백금 촉매를 둘러싸 내구성을 높이려는 연구가 활발하다.
하지만 기존 탄소 캡슐화 기술은 촉매 합성, 탄소 전구체 코팅, 열처리 공정 등 여러 단계로 이뤄져 균일성이 떨어지고 대량 생산에도 적합하지 않은 것이 단점이다.
연구팀은 백금 이온과 아닐린을 결합해 대량 생산에 용이한 열처리 단일공정을 통해 1나노미터 두께의 탄소껍질로 둘러싸인 균일한 백금 나노촉매를 제작하는 데 성공했다.
기존 백금촉매보다 활성은 최대 2배, 안정성은 4배 이상 향상된 것으로 나타났다. 이를 적용한 연료전지는 3만회 구동에도 성능 저하 없는 높은 내구성을 기록했다. 기존 백금촉매를 이용한 연료전지는 수 천회 구동시 급격한 성능 저하로 교체가 불가피했다.
연구팀은 아닐린이 백금 이온과 항상 일정한 비율로 결합해 화합물을 형성하는 것에 착안해 백금 촉매의 탄소 나노캡슐화에 성공했다. 백금 나노입자 하나하나를 탄소껍질로 감싸 백금입자가 녹아 나오는 것을 막는 한편 산소는 드나들 수 있도록 해 촉매 활성은 유지하면서 내구성을 높였다.
외부에서 산소의 출입은 원활하도록 하되 내부에서 백금이 빠져나가지 못하도록 해 백금 입자의 손실을 억제했다.
권오중 교수는 "나노촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 간단하고도 새로운 방법을 제시한 것으로 연구에서 개발된 기술은 백금 외에도 다양한 물질에 적용할 수 있다"며 "향후 연료전지 촉매 외에 다양한 전기화학 응용분야에 기술을 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
연구 성과는 국제학술지 '에너지 앤 인바이런먼탈 사이언스' 7월 31일자에 게재됐다.
lgh@newsis.com
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