성능, 내구성, 가격 삼박자 해결한 연료전지 촉매 개발

코어-쉘 촉매의 가압 질화 처리 조건 및 촉매 모델 그림.(자료제공: KIER)

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 연료전지연구실 박구곤 박사 연구진이 브룩헤이븐국가연구소(Brookhaven National Laboratory, 미국), 센트럴 미시건 대학(Central Michigan University, 미국)과의 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어(core)-쉘(shell) 구조 촉매 기술을 개발했다고 지난달 7일 밝혔다.
마치 계란의 노른자(코어)를 감싸고 있는 흰자(쉘)와 같은 코발트-백금 구조의 촉매 기술을 통해 기존 상용백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상됨을 확인했다.
탄소중립 및 수소사회로 전환이 가속화되면서 수소를 활용하는 연료전지가 다양한 분야로 확대되고 수소기반 산업을 견인하고 있다. 자동차 등 모바일용, 건물용. 발전용 등 다양한 분야에서 연료전지는 본격적인 양산을 앞두고 있고, 현대자동차 및 토요타자동차는 수소전기자동차의 본격적인 상용화를 시작한 상황이다.
연료전지 시스템의 핵심부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금, 팔라듐 등 귀금속 가격은 최근 가파른 폭으로 상승하고 있다. 이러한 가운데 연료전지 스택비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 성능향상과 가격 저감은 여전히 해결해야 할 숙제로 남아있다.
이에 백금 사용량 저감 및 성능 극대화를 위해 코어-쉘 구조 전극촉매에 대한 연구가 최근 경쟁적으로 진행되고 있다. 하지만 일반적인 코어-쉘 구조의 전극촉매는 상대적으로 복잡한 단계를 거쳐 제작되며, 촉매 활성금속의 중앙(코어)에 팔라듐과 같은 고가의 귀금속이 사용되어 왔다. 가격 저감을 위해 코어에 저가의 전이금속을 적용하는 연구가 있었지만, 연료전지 구동 시, 전이금속 용출 등 내구성 문제로 인해 실제 연료전지 전극촉매로써 적용하기에는 어려움이 있는 상황이었다.
연구진은 이러한 어려움을 극복하기 위해 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.
특히 2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘 구조 전극촉매 제조가 가능한 방법이다. 연구진은 이와 같은 간단한 초음파 방법을 통해 코어-쉘 구조의 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조 가능하며 현재는 50g 수준 제조시에도 우수한 재현성으로 확보할 수 있음을 입증했다.
또한 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매제조에 가압 질화* 공정을 도입했다. 연구진은 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.
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 비례해서 향상됨을 확인했다. 특히, 질화 수준이 가장 높은 코어-쉘 코발트-백금 합금촉매의 경우, 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다. 이를 통해 팔라듐과 같은 귀금속 코어 물질을 사용하지 않고도 백금 사용량은 극소화하며 성능과 수명을 획기적으로 증대시키는 새로운 방법이 개발된 것이다.
연구팀은 초음파 합성을 통해 한 단계 반응으로 코어-쉘 촉매 제조했고 이들 촉매의 내구성 향상을 위해 가압 질화 공정을 도입해 코어에 위치한 전이금속의 용출 저항성을 증가시킬 수 있음을 확인했다. 또한, 질화 처리된 코어-쉘 촉매는 안정적으로 연료전지 촉매 성능 발현이 가능함을 확인했고 질화 수준의 증대에 따라 수명이 크게 증가함을 입증했다.
이번 연구에서 개발한 CoN@Pt/C(코어[코발트질화물]-쉘[백금] 구조) 전극촉매는 미국 DOE의 가속열화성능평가 기준인 3만 사이클을 넘어서 1백만 사이클의 수명평가에서도 코어-쉘 구조와 상당 부분의 활성면적을 유지하는 장기 안정성을 보여주고 있다.
연구책임자인 박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 및 가압 질화 공정을 통한 이들 촉매의 내구성 기술 확보는 본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격 경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업과 산업통상자원부의 한국산업기술평가관리원, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 화학분야 학술지인 ‘ACS Catalysis’의 5월 7일자 표지 논문(Front Cover)으로 게재됐다.