연료전지용 고성능 복합 용출 촉매 개발

전자현미경 분석으로 확인한 상전이와 용출 현상. (자료제공: UNIST)

고체산화물 연료전지의 핵심인 고성능 촉매가 새롭게 개발됐다. 연료를 가리지 않고 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지의 상용화가 기대된다.
UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀이 고성능 복합 용출 촉매를 개발했다고 지난달 14일 밝혔다. 용출은 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상이다. 표면으로 올라온 철 나노입자는 촉매 성능을 높이고, 촉매끼리 뭉치는 문제도 막는 역할을 한다.
연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치다. 그중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고, 발생된 폐열도 재활용할 수 있는 장점이 있다. 이 연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 성능을 결정하기 때문에, 고성능 촉매개발이 필수적이다.
김 교수팀은 기존 용출 촉매 대비 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다. 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간 비율을 계산 모델링으로 알아낸 덕분이다. 최적화된 원소 종류와 그 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화(상전이)가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매 표면으로 잘 용출될 수 있는 유리한 환경이 된다.
현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조(원자배열 모양)를 갖는다. 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비하여 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.
제 1저자인 김현민 연구원(에너지화학공학과 석‧박사통합과정)은 “일반 페로브스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시켰다”며 “이는 기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략”이라고 설명했다.
개발된 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 활용해 수소 연료를 주입했을 경우 700 oC에서 200시간 동안 약 0.5 W cm-2의 전력을 안정하게 생산했다. 또한, 이 촉매를 고체산화물 공전해 전지로 작동시켜서 합성 가스를 만드는 반응에 사용했을 때 시간당 30 ml cm-2의 수소와 약 650 ml cm-2의 일산화탄소를 만들어 내는 성능도 보였다. 연료전지에서 전기를 만드는 반응을 거꾸로 돌리면 수소와 공업용 원료인 일산화탄소를 만들 수 있다.
김건태 교수는 “환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있다고”며 “이번에 개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다.
산업통상자원부와 한국연구재단 지원으로 이뤄진 이번 연구성과는 국제 학술지인 ‘Nature Communications’ 11월 24일자 온라인 판에 게재됐다.