연료전지 촉매 안정성과 내구성 높인 탄소 담지체 합성법 개발

유종성 교수 연구팀이 개발한 고결정 탄소의 저온 합성 공정과 조건에 따른 합성 탄소 소재의 특성. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양)은 유종성 에너지공학과 교수연구팀이 수소 연료전지 수명을 크게 개선할 고흑연성 탄소 담지체 저온 합성법을 개발했다고 지난달 9일 밝혔다. 연구팀은 이번 연구결과로 차량용 연료전지, 수전해 전지 및 드론 등에 활용되어 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대하고 있다.

수소 연료전지는 친환경 에너지에 대한 필요성이 증가하면서 수소 연료전지의 성능과 수명을 늘리기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 연료전지의 촉매로 각광받는 백금(Pt)의 활성과 활용도를 증가시키기 위해 다양한 방법을 연구하고 있다.

백금 기반 연료전지 촉매는 활용도가 우수하지만, 가격이 비싸고 내구성이 약하다는 문제가 존재한다. 내구성의 문제는 주로 백금 기반 촉매 자체와 이를 담지하는 탄소 담지체의 불안정성이 주요 원인이다. 특히, 탄소 담지체는 연료전지의 시동과 정지 과정에서 발생하는 높은 전압으로 인해 쉽게 손실되어, 담지된 백금의 이탈과 전기전도도의 저하를 유발한다. 이는 연료전지 성능을 저하하는 주요한 요인으로 해결이 시급하지만, 탄소 소재의 내구성 개선이 어려워 대부분 백금계 촉매에 관한 연구가 집중되어 있다.

탄소 소재의 내구성은 흑연성을 높이면 개선된다. 하지만 흑연성은 2,000℃ 이상의 고온 열처리로만 높일 수 있어, 연료전지 성능을 개선할 수 있는 탄소의 특성을 확보하기 어렵다는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 유용한 탄소 소재의 특성들을 균형있게 확보할 수 있는 새로운 합성 전략이 필요하다.

유종성 교수 연구팀은 650도의 아주 낮은 온도에서도 높은 수준의 흑연성을 도입할 수 있는 새로운 합성법을 개발했다. 질소가 포함된 유기물 전구체를 마그네슘(Mg) 금속 분말과 열처리하는 단순한 공정으로, 마그네슘의 큰 환원력을 활용하여 열처리 온도를 획기적으로 낮추었다. 또한, 마그네슘 금속이 자체 주형제로써 작용하여 고흑연성 탄소 소재에 다공성 구조와 높은 비표면적을 도입했고, 저온 공정으로 충분한 질소가 성공적으로 탄소에 도핑되었음을 확인했다.

연구팀이 개발한 마그네슘 기반의 저온 처리 방법으로 전기화학 촉매를 위해 담지체가 갖춰야 할 3가지 필수조건인 안정성 및 전기전도를 위한 고흑연성(graphiticity), 뛰어난 다공구조와 표면적(porosity), 그리고 질소 등 이종원소 도핑(heteroatom doping)을 모두 가진 탁월한 담지체를 제작했다.

연구팀은 자체 제작한 담지체가 가진 특징 중에서 ‘고흑연성’은 탄소 담지체의 내구성을 개선하고, ‘이종원소 도핑’은 백금 나노입자와 안정적인 결합으로 백금의 용해를 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 예상했다. 이를 확인하기 위해 미국 에너지부에서 제안하는 백금 촉매 및 탄소 담지체 내구성 평가 프로토콜을 활용했다.

확인 결과 모두 미국 에너지부의 목표치를 상회하는 안정성을 보였다. 특히, 탄소 담지체의 내구성 평가에서 백금 질량당 활성이 미국 에너지부 목표치는 감소율 40%인데 반해 연구팀이 개발한 ‘백금-고결정성 질소 도핑 탄소(Pt-HGNC)’ 촉매는 24%만 감소하고, ‘백금-탄소(Pt-C)’ 촉매보다 3.5배 안정적임을 확인했다.

DGIST 에너지공학과 유종성 교수는 “기존 탄소 소재 합성의 한계를 극복할 저온 합성 전략을 제안하고 이를 통해 합성한 신규 탄소 담지체가 적용된 연료전지 촉매는 백금 촉매와 탄소 담지체 내구성 기준을 동시에 만족한 최초의 촉매를 개발했다”며 “차량용 및 발전용 연료전지의 상용화와 연료전지 촉매 내구성 향상에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 캘리포니아 공과대학교의 고다드 교수팀, 포항공대 최창혁 교수팀과 공동으로 수행했으며, DGIST 에너지공학과 이하영 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 환경 분야 최상위 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’에 게재됐다.