[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 국내 연구진이 새로운 나노샌드위치 촉매구조를 개발해 연료전지 촉매의 내구성 문제를 해결했다.

한국에너지기술연구원은 에너지소재연구실 김희연 박사 연구진이 바이오매스의 일종인 박테리아 셀룰로오스를 원료로 사용해 600도 이상의 비교적 낮은 온도에서 열처리하는 것만으로 표면적과 전기전도도가 우수한 탄소를 제조하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

연료전지에 사용되는 백금 촉매의 성능과 내구성 향상을 위해 박테리아가 만들어낸 나노셀룰로오스와 백금 나노입자, 다공성 그래핀이 층을 이룬 샌드위치 구조로 결합된 새로운 촉매구조를 개발한 것이다.

박테리아 셀룰로오스 표면(회색 그물구조)에 담지된 백금 나노 촉매(연두색 입자)의 표면에 그래핀 보호막(검은색 그물구조)을 적용한 샌드위치형 연료전지 전극[사진=한국에너지기술연구원] 2021.03.10 memory4444444@newspim.com

이로써 기존의 상용 촉매에 비해 장기 안정성이 220% 이상 향상된 연료전지용 촉매 합성에 성공했다.

고분자전해질연료전지에 사용되는 백금 촉매는 우수한 성능에도 불구하고 높은 가격으로 제조비용을 절감하는 것과 동시에 장기내구성을 향상하는 것이 핵심이다. 연구자들은 촉매의 크기를 감소시켜 적은 양의 원료로도 넓은 활성 면적을 얻는 방법을 연구한다.

그러나 촉매 입자의 크기가 작아질수록 입자의 불안정성 또한 증가해 더 쉽게 용해(dissolution)되거나 응집(ripening)돼 오히려 비활성화에 더 취약하게 되는 단점이 있다.

연구진은 이러한 단점을 극복하기 위해 새로운 나노샌드위치 구조의 촉매를 제시했다.

즉 탄화된 박테리아 셀룰로오스를 촉매지지체로 하고 이 표면에 화학기상증착법을 사용해 백금 나노입자를 고분산 담지한 후 다공성 그래핀 덮개를 적용하는 새로운 나노샌드위치형 촉매구조를 합성했다.

나노샌드위치형 백금 촉매는 셀룰로오스 지지체의 우수한 전기적, 내화학적 특성과 함께 그래핀 덮개의 촉매입자 부식, 탈락, 응집을 방지한다. 이로 인해 기존 상용 촉매에 비해 내구성이 220% 이상 향상되는 결과를 얻었다.

연구진이 개발한 나노샌드위치형 촉매는 박테리아 셀룰로오스 탄화체의 초박형 구조로 인해 초박막 전극의 제조에 유용하며 전기화학적 수소생산 등 다양한 전기화학반응에 효과적으로 적용할 수 있다.

박테리아 셀룰로오스를 원료로 하는 다공성 나노탄소는 기존 탄소소재인 카본블랙, 활성탄소의 합성 공정보다 현저히 낮은 온도에서 합성이 용이해 기존의 탄소소재를 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

김희연 박사[사진=한국에너지기술연구원] 2021.03.10 memory4444444@newspim.com

김희연 박사(책임연구원)는 "2000년대 중반부터 천연 셀룰로오스 소재의 고부가 활용기술 개발을 통해 다양한 셀룰로오스 탄화체를 합성하고 이를 촉매 지지체 및 연료전지 전극 등에 활용하기 위한 기술을 연구해왔다"며 "이번 연구는 바이오매스의 고부가 활용기술 및 반도체 공정 기반 촉매 제조기술을 접목해 시너지를 창출했다는데 또 다른 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구(중견연구)사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 미국화학회에서 발행하는 'ACS Applied Energy Materials' 지난 2월 22일 표지 논문(front cover)으로 게재됐다.

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