GIST, 수소연료전지용 비귀금속계 촉매 비활성화 메커니즘 규명

수소연료전지용 철 기반 단원자 촉매의 비활성화 메커니즘(위)과 해당분자 비활성화 메커니즘을 우회하기 위한 내구성 확보 전략(아래). 자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 최창혁 신소재공학부 교수팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 비활성화 메커니즘을 규명했다고 지난달 5일 밝혔다. 안전성이 뛰어난 촉매 개발 및 상용화에 기여할 전망이다.
수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 수소연료전지에는 이들의 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 귀금속인 백금을 촉매로 사용했으나 백금의 희소성과 높은 가격이 상용화에 걸림돌이 돼 왔다. 따라서 최근에는 이를 대체할 수 있는 저렴한 철, 질소, 탄소 기반 단원자 촉매에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
하지만 철 기반 단원자 촉매는 수소연료전지의 작동 조건인 산성 환경에서 매우 불안정한 모습을 보이며, 장시간의 안정적인 전력 생산을 위해서는 이들의 작동 중 내구성을 확보하는 것이 필요하다.
연구팀은 인위적으로 촉매를 과산화수소에 노출해 전해질 산성도에 따른 촉매 비활성화 연구를 통해 산성 조건에서 생성되는 불안정한 활성산소종(산소 원자를 포함 화학적 반응성이 있는 분자)이 촉매 비활성화의 주요 원인이라는 사실을 확인했다.
0에서부터 14까지 모든 범위의 산성도를 다루면서 촉매의 산소환원반응 비활성화 정도가 전해질의 산성도에 영향을 받는다는 것을 알아냈다. 특히 산성 조건에서 가장 심각한 비활성화가 일어났으며 이는 촉매 표면의 부분적인 산화와 연관이 있음을 밝혔다. 또한 전자스핀 공명 분광법을 통해 활성산소종 생성 정도와 촉매의 비활성화 정도가 비례하는 것을 확인했다. 산성 조건에서 생성되는 불안정한 활성산소종이 촉매 비활성화의 주요 원인이며, 촉매 및 수소연료전지의 내구성을 보장하기 위해서는 이들의 제어가 필요하다는 것을 유추하는 결과이다.
최창혁 교수는 “이번 연구성과는 저렴한 철 기반 단원자 촉매를 활용해 수소연료전지의 내구성 확보 전략을 수립하고, 직접 실험으로 구현했다는데 가장 큰 의의가 있다”며 “추후 고활성 및 내구성이 확보된 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
연구성과는 미국 화학회가 발행하는 촉매분야 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스’(ACS Catalysis)에 7월 20일 온라인 게재됐다.