한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와 공동연구를 통해 최근 차세대 연료전지를 각광받고 있는 알칼라인연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체해 적용 가능한 저가형 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연료전지의 전극에서는 전지의 효율을 결정하는 핵심적인 반응인 산소환원반응이 발생한다. 이는 반응 속도가 느리고 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 주원인이며 기존 알칼라인연료전지는 이 같은 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 백금계열 촉매는 내구성이 부족하고 고가의 가격이라는 한계를 갖고 있어 전세계적으로 백금 소재를 대체하고자 탄소계 촉매에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

이에 KIST-충남대 공동연구진은 최근 연구를 통해 고가의 백금계 촉매를 대체 가능한 탄소계 촉매를 개발하고 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는데 성공했다. 이번에 개발된 촉매는 코발트 재질의 코어에 그린핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조로 내구성은 물론 경제성까지 갖춘 우수한 소재로 알려졌다.

연구진은 코어-쉘구조를 통해 반응면적을 극대화해 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전력을 형성했고 이를 통해 우수한 연료전지 성능을 구현했다고 설명했다. 특히 연구진은 코발트 금속 상에 그래핀 껍질을 형성할 경우 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면 전자구조를 유도한다는 사실을 실험적으로 밝혀냈고 분석을 통해 그래핀 표면에서 반응이 발생한다는 사실도 규명했다.

또한 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇음에도 불구하고 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 구현할 수 있게 만들어 비백금계 촉매의 상용화시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.

KIST 유성종 박사는 “최근 알칼라인 연료전지의 상용화를 위한 핵심 소재 개발 연구가 활발하게 진행되고 있는 가운데 이번 연구를 통해 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발 방향에 대한 가능성을 볼 수 있었다”고 연구 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행됐다. 또 충남대학교와의 공동 연구로 진행된 이번 연구결과는 세계 최고의 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Energy & Environmental Science’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.