국내 연구진이 비(非)백금 전극 촉매를 개발해 온실가스 없는 액체 연료전지의 성능을 세계 최고 수준으로 확보하는 데 성공했다. 이번 연구성과는 알칼라인 액체연료전지의 상용화에 도움이 될 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST) 지구⋅환경공학부 이재영 교수연구팀과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 정범균 박사연구팀은 알칼라인 하이드라진 액체연료전지에 사용하는 환원극 비백금계 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.
하이드라진(Hydrazine)은 질소와 수소로 구성된 가연성 액체 화합물로, 하이드라진 액체 연료전지는 수소연료전지에 비견될 수준의 출력 성능을 지녔다. 기존 액체연료의 저장·수송 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점도 있다. 알칼라인 연료전지의 경우 값비싼 백금 촉매를 사용하지 않아도 출력이 높다는 장점이 있다.
철-질소-탄소 촉매는 알칼라인 액체 연료전지에서 백금을 대체할 촉매로 주목받고 있지만, 촉매 반응이 일어나는 지점인 활성점 밀도가 백금보다 낮다. 이 때문에 상대적으로 많은 양을 써야 하고 효율도 떨어지는 단점이 있다.
이에 연구팀은 수증기 활성화 공정으로 철-질소-탄소 촉매에 계층적 기공 구조를 만들고 옥살산 처리로 표면 접촉 특성을 개질(改質)해 출력을 대폭 향상시켰다고 설명했다. 그 결과 산소 기체가 활성점에 원활히 접근하는 것으로 나타났다.
또 열처리 공정에서 생성된 산화철 나노입자의 제거 및 산 처리 이후 표면에 형성된 친수성(물 분자와 약하게 결합할 수 있는) 작용기는 또 다른 반응물인 물이 쉽게 접근하도록 만든다는 것을 규명했다.
이와 같이 반응물을 활성점에 보다 쉽게 접근시켜 촉매 효율을 2배가량 늘렸다고 연구팀은 강조했다.
GIST 이재영 교수는 "이번 연구는 촉매 이용률 한계를 극복했다"며 "고출력이 필요한 운송수단의 전원 등 다양한 활용 가능성이 기대된다"고 말했다.
KBSI 정범균 박사는 "촉매의 기공 구조와 표면 특성을 통해 촉매 이용률을 높여 액체연료전지 성능을 크게 개선한 것에 의미가 있다"고 평했다.
이번 연구결과는 화학공학 기술분야 학술지 '케미칼 엔지니어링 저널'(Chemical Engineering Journal)에 게재됐다.
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