에너지연, 수소 연료전지 수명 극대화한 '코어-쉘 구조 전극촉매' 개발

한국에너지기술연구원 연구진이 가압질화 처리를 위해 코어쉘 촉매를 장치에 넣고 있는 모습./사진제공=한국에너지기술연구원

한국에너지기술연구원 연료전지연구실 박구곤 박사 연구진은 미국의 브룩헤이븐국가연구소·센트럴 미시건 대학과의 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 낮추면서도 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 '코어(core)-쉘(shell) 구조 촉매 기술'을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구진은 이 기술을 통해 기존 상용 백금촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상됨을 확인했다.


이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 화학분야 세계적 학술지인 '에이씨에스 카탈리시스'의 5월 7일자 표지 논문으로 게재됐다.

연구진에 따르면 연료전지 시스템의 핵심부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금·팔라듐 등 귀금속 가격은 최근 가파른 폭으로 상승하고 있다. 때문에 연료전지 스택비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 비용은 낮추면서도 성능을 높이는 방법은 풀어야할 숙제였다.

연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 초음파를 활용한 합성법으로 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.


2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘 구조 전극촉매를 제조했다.

이를 통해 코어-쉘 구조의 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5 g 이상 제조할 수 있는 것은 물론 현재는 50 g 수준 제조시에도 우수한 재현성을 확보할 수 있는 것도 입증했다.

연구진은 또 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 세계 최초로 촉매제조에 가압 질화 공정을 도입, 분자 역학 시뮬레이션을 활용해 열처리하는 동안 다양한 압력(1, 40, 80기압) 조건의 암모니아 가스 분위기에서 촉매 입자들이 서로 응집되는 과정과 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어 물질로 도입되는 질화 과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다.

즉, 전자현미경, 원소 분석, X-선 광전자 분광법 분석 결과를 바탕으로 질화과정에서 압력이 증가할수록 코발트 코어의 질화 수준이 증가하고, 이로 인해 코어-쉘 전극촉매가 지닌 내구성도 비례해 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

특히 질화 수준이 가장 높은 코어-쉘 코발트-백금 합금촉매의 경우 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상되는 결과를 얻었다.

연구책임자인 박구곤 박사는 "이번 연구에서 개발한 CoN@Pt/C(코어[코발트질화물]-쉘[백금] 구조) 전극촉매는 미국 DOE의 가속열화성능평가 기준인 3만 사이클을 넘어서 100만 사이클의 수명평가에서도 코어-쉘 구조와 상당 부분의 활성면적을 유지하는 장기 안정성을 보여주고 있다" 며 "본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 이 기술은 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것"이라고 말했다.