이현주 KAIST 교수팀 연구···직접 포름산 연료전지에도 적용

국내 연구진이 백금 단일원자 촉매로 '직접 포름산 연료전지(Direct formic acid fuel cells)'에 적용하는데 성공함에 따라 값비싼 백금 사용량을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 이현주 생명화학공학과 교수와 한정우 서울시립대 교수 공동 연구팀이 기존 촉매의 백금 사용량을 10분의 1로 줄일 수 있는 백금 단일원자 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다.

백금 기반의 촉매는 활성과 안정성이 높아 다양한 촉매 반응에 적용된다. 하지만 가격이 비싸고 희귀하기 때문에 백금의 사용량을 최대한 줄이는 것이 중요하다.

백금 단일 원자 촉매의 개념도.<사진=KAIST 제공>
백금 단일 원자 촉매의 개념도.<사진=KAIST 제공>
단일원자 촉매는 백금 입자 크기를 원자 단위로 줄여 모든 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 촉매의 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 두 개 이상의 원자들이 붙어 있는 앙상블 자리(ensemble site)가 없기 때문에 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다.

그러나 이 촉매는 낮은 배위수(coordination number)와 높은 표면자유에너지로 인해 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어져 실제 장치에 적용이 어렵다는 한계점이 있었다.

연구팀은 이 촉매의 안정성을 높이기 위해 금속 원소인 안티몬이 첨가된 주석 산화물(Antimony-doped tin oxide) 위에 백금 단일원자가 주석과의 합금 형태로 존재하는 구조를 개발해 기존 문제를 해결했다.

또한, 이 구조가 백금 단일원자가 안티몬-주석 합금 구조에서 안티몬의 자리를 대신해 열역학적으로 안정적인 형태로 존재함을 계산을 통해 증명했다.

연구팀이 개발한 촉매는 포름산 산화반응에서 일반적으로 사용되는 촉매인 상용백금촉매(Pt/C)보다 최대 50배 높은 활성을 보였고 장기안정성 또한 월등하게 높게 나타났다.

연구팀은 이 촉매를 막과 전극으로 구성된 직접 포름산 연료전지에 적용했다. 단일원자 촉매를 완전지 형태의 연료전지에 적용한 것은 처음이다. 기존 촉매에 비해 10분의 1 정도만의 백금을 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있다.

이현주 교수는 "귀금속 단일원자 촉매의 가장 큰 문제점인 낮은 함량과 낮은 안정성을 높일 수 있었으며, 이를 직접 포름산 연료전지에 적용했다"며 "연료전지에 적용 가능한 고함량, 고안정성 귀금속 단일원자 촉매 개발에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 재료 과학분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난 9월 11일자 온라인 판에 게재됐다. 

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