[가스신문=최인영 기자] 고체산화물연료전지(SOFC)가 수소와 탄화수소를 연료로 사용할 경우 황(sulfur)에 쉽게 오염된다는 문제를 해결한 새로운 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

포항공과대학교(POSTECH, 총장 김무환) 화학공학과 한정우 교수 연구팀은 밀도범함수이론(DFT)을 적용해 다양한 니켈(Ni) 기반 합금표면에서 각 합금물질의 황 피독 저항성에 대한 영향을 체계적으로 분석, 니켈·금 촉매 개발에 성공했다고 지난 7일 밝혔다.

밀도함수이론(Density functional theory)은 물질과 분자 내부의 전자거동과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론으로 이를 통해 소재의 구조와 성질 등을 예측할 수 있다.

현재 SOFC 연료로 사용하는 수소는 생산과 저장이 까다로운 탓에 생산원가도 비싸다. 산화전극에는 니켈을 촉매로 사용하는데 다른 연료전지보다는 저렴하지만 연료에 들어있는 황에 의해 쉽게 오염되는 단점을 지녀 안전성을 떨어뜨릴 수 있는 문제점을 내포하고 있다. 또 탄화수소를 연료로 사용할 경우 수시간 내에 전극에 탄소가 침적(coking)돼 전극을 파손시키기 때문에 탄화수소를 직접연료로 사용할 수 없게 된다.

황으로 인한 오염을 줄이기 위한 연구에서 가장 큰 걸림돌은 그동안 어떤 물질을 어떻게 조합하느냐에 관한 것이었다. 물질조합의 예측이 어려워 연구도 진척을 보이지 못한 것이다.

이에 연구진은 연료 속의 황 불순물로 촉매가 망가지지 않는 다양한 전이금속 합금을 조사했다. 구리(Cu), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au) 등의 전이금속을 니켈의 표면에 합금하면서 황화수소(H2S)의 분해반응을 살핀 결과 니켈과 금의 조합이 가장 효과적이라는 결론을 얻었다. 이를 바탕으로 연구진은 황 피독 저항성이 높은 니켈·금 촉매를 설계했다.

한정우 교수는 “기존의 니켈촉매를 개선하기 위해 각 합금물질의 황피독(poisoning) 저항성에 대한 영향을 체계적으로 분석해 니켈·금 합금촉매를 발견했다”면서 “친환경 고체산화물 연료전지의 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

SOFC는 수소나 탄화수소연료를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 방식으로 친환경 분산전원으로 평가받고 있다. 다른 발전원에 비해 가격이 저렴할뿐 아니라 오염물질 배출도 적고 태양열, 풍력발전보다 공간효율성도 높다.

한편 이번 연구결과는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업, 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업, 한국과학기술정보연구원의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구결과는 국제학술지 ‘카탈리시스 사이언스 앤 테크놀로지(Catalysis Science & Technology)에 최근 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 표지논문으로도 선정됐다.