박찬호교수 연구팀, 국제 저명학술지 `Journal of Energy Chemistry'에 논문 게재
염기는 산과 반응하여 염을 만드는 물질로 물에 녹으면 하이드록시 이온을 내는데 암모니아수, 잿물 등이 있다.
기존의 수소연료전지는 백금을 촉매로 주로 사용하였으나 희소성과 높은 가격 요인이 광범위한 연료전지 적용에 걸림돌로 작용하고 있어 백금을 대체할 수 있는 고성능, 저가 촉매 개발에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한 황, 코발트 같은 다른 원소나 작용기를 촉매제로 하여 활성을 향상하는 연구도 주로 진행되고 있으나, 공정을 복잡화시키고 단가가 높아지는 단점이 있다.
연구팀은 촉매 입자 크기만을 조절하여 촉매가 전해질에 효과적으로 접근할 수 있도록 했고, 특히 값비싼 백금을 대체해 저렴한 비 백금계 촉매를 도입함으로써 연료전지가 차량용과 발전소용 및 가정용 등 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에서 개발된 비 백금계 촉매는 철과 질소 전구체를 다공성 구형 실리카에 담지한 후 탄화하는 나노 주형 법으로 제조되었다. 철과 질소 간 결합으로 인해 산소환원반응 촉매로서 백금 대비 우수한 성능을 나타냄을 확인했다.
연구팀은 다른 크기의 실리카 주형 물질을 사용하여 철-질소를 포함한 탄소 촉매의 크기를 조절했고,이를 통해 촉매 입자 크기와 전해질 접근성과의 상관관계를 설명했다.
탄소 입자의 크기가 작을수록 탄소 입자와 전해질이 접촉하는 면적이 증가하여 접근성이 향상되므로 산소 환원 반응이 촉진되는 것을 확인했으며, 성능 감소를 고려하여 본 실험에서 사용한 접근 방식에서 가장 적절한 입자 크기를 실험적으로 입증했다.
박찬호 교수는 “이번 연구는 음이온 전해질막 수소연료전지에 적용될 수 있는 비 백금계 산소 환원 촉매를 개발하였다는데 가장 큰 의의가 있다”라면서, “향후 저렴한 신규 산소환원반응 촉매 개발을 통해 수소연료전지 단가 절감에 도움이 될 것으로 예상하며 광범위한 상용화에 기여하기를 바란다”라고 말했다.
