연료전지 효율 높이는 ‘촉매’의 비밀 밝히다

촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도.(자료제공: 포스텍)

친환경 에너지원으로 주목받고 있는 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 통해 전기와 열을 동시에 얻는다. 그래서 반응 효율을 높여주는 촉매는 곧 연료전지의 성능과 직결된다. POSTECH-UNIST 연구팀이 원자 단위에서의 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 밝힘으로써 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가섰다.
POSTECH(총장 김무환)은 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀이 UNIST(울산과기원, 총장 이용훈) 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ’PBMO‘가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출, 溶出)되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했다고 지난달 3일 밝혔다.
촉매는 물질의 화학반응을 더욱 잘 일어날 수 있도록 돕는 물질이다. 연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO(Pr0.5Ba0.5MnO₃-δ)는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있다. 특히, 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가진다. 이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 엑솔루션 현상이 일어난다.
이 현상은 특별한 공정 과정 없이 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나는데, 물질 내부에 있던 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다. 하지만 그동안 어떤 과정을 통하여 고성능의 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다.
연구팀은 이런 특징에 주목해 양자역학 기반의 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 in-situ XRD 실험을 통하여 이 과정이 상 전이 → 입자 석출 → 촉매 형성의 과정을 거침을 확인했다. 또한, 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인하여 다양한 화학 촉매에도 이번 연구가 적용 가능함을 확인했다.
연구를 주도한 한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라며 “이 연구는 지지체·나노촉매가 활용되는 배기가스 저감, 센서, 연료전지, 화학 촉매 등에 활용될 수 있기 때문에 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다”고 말했다.
이 연구는 삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’의 뒷표지 논문으로 최근 게재됐다.