KIST에너지소재연구단-한양대학교

[가스신문=최인영 기자] 국내 연구팀이 700℃가 넘는 고온에서 작동하는 SOFC(고체산화물 연료전지)의 안정성을 돕는 단일원자 촉매를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단의 윤경중 박사와 신지수 연구원 등은 한양대학교 이윤정 교수와의 공동연구를 통해 단일원자 촉매 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.

현재 연료전지에 폭넓게 사용되는 백금계 촉매는 다른 어떤 물질과 비교할 수 없을 정도로 좋은 성능을 지니고 있다. 하지만 고온에서는 원자들이 쉽게 뭉쳐 효율이 떨어지기 때문에 수소전기차 등에 들어가는 PEMFC(고분자전해질형 연료전지) 와 같은 저온형 연료전지에만 활용돼 왔다. 제한된 매장량과 높은 가격도 상용화의 걸림돌이다.

연구진이 이번에 개발한 촉매는 소량의 백금만 사용해도 고온에서 안정적으로 작동할 뿐만 아니라 모든 백금 원자들이 뭉치지 않고 개별적으로 분산반응할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 실제 실험결과 이 촉매는 전극의 반응속도를 10배 이상 높이는 것으로 나타났다.

또한 700℃ 이상의 고온에서도 500시간 이상 안정적으로 작동해 전력과 수소의 생산성능을 3~4배 높이는 것으로 확인돼 SOFC의 조기상용화에도 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

연구진이 개발한 단일원자 촉매는 백금 원자와 세륨(Ce) 산화물 나노입자를 강하게 결합시킨 것으로 백금 사용량은 최소화하면서도 전극의 반응속도는 크게 높일 수 있는 촉매다. 각각의 백금 원자가 세륨 산화물 나노입자의 표면에 개별적으로 분산돼 있을 뿐만 아니라 강력한 결합력으로 고온에서도 분산된 원자 상태를 장시간 유지하기 때문에 모든 백금 원자가 원활하게 반응에 참여할 수 있다.

이와 함께 백금과 세륨 이온이 녹아 있는 용액을 연료전지 전극 내부로 주입한 후 SOFC가 고온에서 작동하는 동안 촉매가 합성되도록 했다. 별도의 특수장비 없이도 촉매를 간단하게 전극에 주입할 수 있어 다른 방식의 연료전지에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 연구진은 전망하고 있다.

윤경중 KIST 박사는 “이번에 개발한 촉매는 쉽고 단순한 저가공정을 이용해 다양한 타입의 연료전지는 물론 고온 전기화학 소자에도 폭넓게 적용할 수 있어 차세대 발전장치와 에너지저장장치 개발에도 활용할 수 있을 것으로 예상한다”며 “특히 단일원자 촉매가 700℃가 넘는 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 가능성을 확인한 만큼 고온 열화학 반응, 고온 전기화학 반응 등으로 활용범위를 확장해 갈 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 연구결과는 Energy & Environmental Science에 게재됐다.