한국에너지기술연구원이 성능과 내구성, 가격 삼박자를 갖춘 연료전지 전극촉매를 개발했다.
에너지연은 7일 연료전지연구실 박구곤 박사 연구진은 브룩헤이븐국가연구소와 센트럴 미시건 대학과의 공동연구를 통해 수소연료전지 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어-쉘 구조 촉매 기술을 개발했다.
연구진은 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.
특히 2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘 구조 전극촉매 제조가 가능한 방법이다.
연구진은 이와 같은 간단한 초음파 방법을 통해 코어-쉘 구조의 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조 가능하며 현재는 50g 수준 제조시에도 우수한 재현성으로 확보할 수 있음을 입증했다.
또 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매제조에 가압 질화 공정을 도입했다. 분자 역학 시뮬레이션을 활용해 열처리하는 동안 다양한 압력(1, 40, 80기압) 조건의 암모니아 가스 분위기에서 촉매 입자들이 서로 응집되는 과정과, 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어 물질로 도입되는 질화 과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다.
질화 수준이 가장 높은 코어-쉘 코발트-백금 합금촉매의 경우, 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다.
아울러 질화 처리된 코어-쉘 촉매는 안정적으로 연료전지 촉매 성능 발현이 가능함을 확인했고 질화 수준의 증대에 따라 수명이 크게 증가함을 입증했다.
박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 및 가압 질화 공정을 통한 이들 촉매의 내구성 기술 확보는 본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것”이라고 말했다.
