산업계에선 수소연료전지에 쓰이는 고가 백금 촉매를 저렴한 탄소 기반 촉매로 대체하려는 연구가 활발하다. 이에 따라 탄소 기반 촉매 성능은 백금 촉매와 견줄 정도로 발전했지만 100시간도 되지 않는 낮은 내구성이 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
연구팀은 낮은 내구성의 원인으로 중간 생성물인 ‘활성산소’를 지목했다. 수소연료전지를 가동하면 과산화수소가 발생한다. 과산화수소가 탄소 기반 촉매에 노출되면 활성산소의 영향으로 거품이 일어난다.
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| (왼쪽부터)광주과학기술원 신소재공학부 최창혁 교수, 카이스트 화학과 김형준 교수/사진=한국연구재단 |
연구팀은 이 활성산소의 생성과 더불어 촉매 성능이 2.2㎃/㎠에서 0.1㎃/㎠로 줄어드는 것을 관찰했다.
성능 감소는 과산화수소 처리 온도가 높아질수록 그 정도가 커졌다. 연구팀은 이어 탄소 기반 촉매에서 활성산소에 의해 생긴 산소 작용기를 제거했다. 그랬더니 촉매 성능이 원래대로 회복했다.
이 과정에서 촉매 구조는 붕괴하지 않았다. 연구팀은 “활성산소를 제어하는 것만으로 성능을 80％ 이상 되돌릴 수 있었다”고 설명했다.
최 교수는 "활성산소 제어를 통해 탄소 기반 촉매 연료전지를 자동차에 도입할 수 있는 방안을 후속연구로 진행할 계획"이라고 말했다.
이 연구성과는 환경과학 분야 국제학술지 '에너지와 환경과학’ 최신호에 실렸다.
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