[에너지단열경제]안조영 기자
광주과학기술원(GIST) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀이 ‘고립전자쌍’을 포함한 탄소를 이용해 수소연료전지 백금 촉매의 성능과 내구성을 개선했다.
고립전자쌍은 다른 원자와 결합하지 않은 상태로 있는 두 개의 전자로 구성된 쌍을 뜻한다.
수소연료전지는 물 이외의 오염물질이 전혀 배출되지 않는 친환경 고효율 에너지로, 전기차보다 이산화탄소를 적게 배출해 깨끗하고 안전한 미래 신성장동력 발굴 및 지속가능한 에너지로 각광받고 있다.
수소전기차를 비롯해 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 활용 가능하다.
현재 수소연료전지의 확대, 보급을 위해서는 저백금/고내구성 전극 개발 등 해결돼야 할 문제가 남아있다.
현재 백금이 가장 적합한 산소환원반응 촉매로서 사용되고 있지만, 한정적인 매장량으로 인해 가격이 비싼 단점을 지니고 있다.
연료전지의 가격경쟁력을 높이기 위해서는 사용되는 백금 촉매의 양을 줄여야 하며, 산소환원반응에서의 성능과 내구성을 향상시켜야 한다.
이 교수팀이 새롭게 개발한 백금촉매는 백금과 질소 원자 간 결합 산소 환원 반응에서 기존 백금촉매 대비 우수한 성능을 가지고 있을 뿐만 아니라, 강력한 원자 간 결합으로 인해 수소연료전지 구동 중에서 용출되는 백금의 양을 최소화해 내구성을 개선했다.
볼밀링법을 이용해 질소가 도핑된 탄소를 합성했고, 이를 백금 입자의 담체로 사용해 수소연료전지의 산소환원반응 촉매로써 적용했다.
볼밀링법은 세라믹 구와 시료를 빠른 속도로 회전시켜 마찰열을 통해 화학반응을 일으키거나 시료의 크기를 작게 부수는 합성법이다.
질소가 도핑된 탄소에 다량 포함된 고립전자쌍은 담체에 백금 입자를 균일하게 성장시키는 역할 뿐만 아니라 산소환원반응을 가속화하는 백금과 질소 원자 간의 결합을 형성시켰다.
이재영 교수는 “탄소 담지체의 고립전자쌍이 백금 촉매 형성과정과 반응 메커니즘에서 하는 역할을 밝혀냄으로써 수소연료전지의 백금 귀금속 촉매의 성능과 내구성을 개선할 수 있게 됐다”며 “이는 수소 전기차의 제조 경제성을 높여 수소경제에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이재영 교수는 이번 연구로 에너지 및 화학 분야의 세계적인 학술지인 ChemSusChem(켐서스켐) 3월호 표지논문으로 게재됐다.
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