국내 연구진이 희소금속인 백금(Pt)의 사용량을 획기적으로 저감할 수 있는 고효율 멀티스케일 나노 구조를 갖는 연료전지 촉매를 개발하였다고 밝혔다.

연료전지는 수소와 공기 중의 산소와 화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치로서, 배터리와 달리 충전이 필요 없고, 반응 부산물로 물 이외에 일체의 오염물질이 없어 차세대 친환경 동력원으로 각광받고 있다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)) 및 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행되었고 한국과학기술연구원 연료전지연구센터의 유성종 박사와 서울대 화학생물공학부 성영은 교수가 주도했다. 연구결과는 세계적 과학 저널인 나노 투데이(Nano Today) 7월 25일(금) 게재 되었다.

이번 성과는 연료전지 촉매로 사용되는 백금의 양을 50%이상 줄이면서도 촉매 효율을 2~5배까지 향상시킬 수 있는 다양한 멀티스케일 나노 촉매 구조를 제시하여 연료전지 상용화에 한발 더 다가섰다.

고분자 전해질 연료전지는 미래 수소 연료전지 자동차의 주요 동력원으로 사용되는데, 현재 연료전지 전극에 값비싼 백금을 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 발전장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있었다.

연료전지의 상용화 목표치는 $30/kw이나 현재 양산되는 연료전지 가격은 $47/kw며, 이 중 연료전지의 촉매가 가격에서 차지하는 비중은 50%($24/kw) 이상이다. 연료전지 전극에 사용되는 백금 촉매의 양을 획기적으로 줄일 경우, 백금 촉매 가격을 $8/kw 이하까지 낮출 수 있어 연료전지의 상용화 목표 가격에 근접할 수 있다.

연구진은 전이 금속 합금 구조를 통해 백금 사용량을 약 40%까지 줄였고, 나아가 코어-쉘 구조 및 hollow 구조를 통해 백금을 나노 입자 표면층에만 사용하여 백금 사용량을 50% 이상 줄였음에도 불구하고 기존 백금 촉매 성능의 2~5 배까지 촉매 효율이 향상되는 결과를 보여 주었다.

연구진은 “이번 연구에서 개발된 멀티스케일 나노 구조를 갖는 전이 금속 합금, 코어-쉘 및 hollow 촉매 합성기술은 연료전지뿐만 아니라, 물 분해, 수소 개질, 자동차용 배출가스 정화 장치 등의 넓은 분야에 걸쳐 활용될 가능성을 갖고 있으며, 다양한 형태의 나노 촉매 구조의 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.