700℃ 고온에 안정적 ‘고성능 단일원자 촉매’…전력·수소 동시에 만든다

KIST 연구진이 개발한 단일원자 촉매의 개념도/사진=KIST

국내 연구진이 소량의 백금만 사용하면서도 고온에서 안정적으로 작동하는 촉매를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 윤경중 박사, 신지수 연구원 연구팀, 한양대 이윤정 교수로 이뤄진 공동연구팀이 고온에서도 모든 백금 원자들이 뭉치지 않고 개별적으로 분산 반응할 수 있도록 한 고체산화물 연료전지용 백금 단일원자 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다.


충전이 필요한 배터리와 달리 3차 전지로 불리는 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 직접 전기를 생산하는 친환경 발전 시스템이다. 연료전지는 구동온도와 전해질에 따라 다양한 종류가 있다. 이 가운데 전 세계적으로 연구가 가장 활발한 분야 중 하나가 세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지이다.

700℃ 이상의 고온에서도 작동되기 때문에 연료전지 중 가장 높은 효율을 낼 수 있는 데다 발전 과정에서 발생하는 수증기를 분해해 수소를 재생산하는 복합발전까지 가능하다. 상용화 관건은 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있는 촉매를 개발하는 것이다.

현재 연료전지 분야에서 폭넓게 사용되는 백금계 촉매는 연료전지 촉매 반응에서 어떤 물질과도 비교할 수 없을 만큼 좋은 성능을 나타내고 있다. 하지만 고온에서는 원자들이 쉽게 뭉쳐 효율이 떨어진다. 이 때문에 수소전기차와 같은 저온형 연료전지에서만 활용돼 왔다. 제한된 매장량과 높은 가격도 상용화의 장애물이다.

(왼쪽) 고체산화물 연료전지 전극(가운데) 전극 내부의 표면에 형성되어 있는 단일원자 촉매(오른쪽) 촉매 표면에 분산되어 있는 백금 원자 (밝은 점: 백금 원자)

연구진이 개발한 단일원자 촉매는 백금 원자와 세륨(Ce) 산화물 나노입자를 강하게 결합시킨 것이다. 백금 원자 하나하나가 세륨 산화물 나노입자의 표면에 개별적으로 분산돼 있으며 강력한 결합력으로 고온에서도 분산된 원자 상태를 장시간 유지하기 때문에 모든 백금 원자가 반응에 원활하게 참여할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 이에 따라 백금의 사용량을 최소화하면서도 전극의 반응속도를 크게 향상 시킬 수 있다.


연구팀이 진행한 실험 결과 이 촉매는 전극의 반응속도를 10배 이상 높였다. 또 700도 이상 고온에서도 500시간 이상 안정적으로 작동하며 전력과 수소 생산 성능을 3~4배 높였다. 차세대 친환경 연료전지인 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당기게 될 것으로 기대를 모은다.

연구진은 이와 함께 고체산화물 연료전지용 촉매를 새로 개발했다. 이는 백금과 세륨 이온이 녹아있는 용액을 연료전지의 전극 내부로 주입한 후 연료전지가 고온에서 작동하는 동안에 촉매가 합성되도록 했다. 또 별도의 특수장비 없이도 간단하게 전극에 주입할 수 있어 기존 연료전지에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

윤 박사는 “이번에 개발한 촉매는 쉽고 단순한 저가 공정을 이용해 다양한 종류의 고체 산화물 연료전지 및 고온 전기화학 소자에 폭넓게 적용할 수 있어 차세대 친환경 발전장치와 에너지 저장장치 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이어 “특히 단일원자 촉매가 700도 이상의 매우 높은 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 가능성을 제시함에 따라 향후 고온 열화학 반응, 고온 전기화학 반응 등으로 활용범위가 크게 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.