DGIST, 수소연료전지 상용화 앞당길 질소 도핑 촉매 기술 개발

- 백금-코발트 합금 내구성 향상으로 친환경 연료전지 성능 및 지속 가능성 개선

질소 도핑 백금-코발트 합금의 합성 및 질소 도핑 구조. (자료제공: DGIST)

유종성 교수 연구팀. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우)은 에너지공학과 유종성 교수 연구팀이 연료전지의 핵심 부품인 합금 촉매의 내구성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 11월 27일 밝혔다. 

연구팀은 기존 친환경 자동차용 ‘수소연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)’ 상용화에 걸림돌이었던 고비용 백금(Pt) 촉매와 낮은 내구성 문제를 질소를 활용해 해결했다.

친환경 기술인 ‘수소연료전지’를 상용화하기 위해 많은 연구가 진행 중에 있다. 그 중 백금-코발트(PtCo) 합금은 성능이 뛰어나지만, 가격이 비싸고 코발트가 쉽게 용해되는 내구성 문제로 장기적인 사용에 한계가 있었다.

유종성 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 백금-코발트 합금에 질소를 첨가하는 새로운 합성법을 개발했다. 질소가 첨가된 백금-코발트 합금은 코발트와 질소 간 결합을 통해 코발트의 용해를 막아 내구성을 크게 향상시켰다. 이 기술로 백금 사용량을 줄이면서도 성능과 내구성을 유지할 수 있게 되어 저(低)백금 고(高)안정 연료전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

새롭게 개발된 질소 도핑 백금-코발트 합금은 백금 표면과 내부에 규칙적으로 배열된 백금-코발트 구조와 코발트-질소 결합을 통해 뛰어난 구조적 안정성을 갖춘 것이 특징이다. 서강대학교 백서인 교수팀의 계산화학 분석에 따르면, 코발트와 질소 간의 강한 결합으로 인해 코발트의 용해 에너지가 약 2배 증가하여 합금 내에서 코발트의 안정성이 크게 향상된 것으로 확인됐다. 또한, 새롭게 개발한 합금은 미국 에너지부의 가속 내구성 평가에서 2025년 목표를 초과 달성하여 기존 상용 촉매보다 높은 성능과 내구성을 입증했다.

유종성 교수는 “이번 연구는 기존 합금의 한계를 극복해 연료전지의 내구성을 크게 향상시키는 데 중점을 뒀다”며 “초기 성능이 뛰어난 백금-코발트 합금을 실제 연료전지에 적용할 가능성을 높여, 수소연료전지의 수명과 효율을 동시에 만족할 기술을 개발했다. 이번 성과로 수소연료전지가 자동차, 선박, 항공, 발전 등 다양한 분야의 지속 가능한 에너지 솔루션으로 자리 잡기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 사업을 통해 진행됐으며, 연구 결과(제1저자: Muhammad Irfansyah Maulana 석박사통합과정생)는 ‘Journal of the American Chemical Society’에 11월에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]