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비싼 백금 사용량 90% 절감, 수명 2배 증가 촉매 개발

조은애 KAIST 교수팀 연구···갈륨 첨가해 기존 백금 촉매 대비 성능 12배 향상
KAIST(총장 신성철)는 조은애 신소재공학과 교수 연구팀이 백금 사용량을 90% 줄이면서 수명은 2배 향상시킨 연료전지 촉매를 개발했다고 17일 밝혔다.

연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치로 기존 발전 설비를 대체할 수 있다. 하지만 이 연료전지에 전극촉매로 사용되는 백금은 가격이 비싸 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다. 그동안 개발된 탄소 담지 백금 나노촉매도 산소환원반응 활성과 내구성에 상용화 기준을 충족하지 못했다. 

조은애 교수 연구팀은 기존 백금 기반 촉매들의 산소환원반응 활성과 내구성을 증진하는 것을 목표로 제시했다. 백금과 니켈 합금 촉매를 합성한 뒤 성능 증진을 위해 여러 금속 원소를 도입한 결과 갈륨이 가장 효과적인 것으로 나타났다.

연구팀은 백금-니켈 합금 촉매를 팔면체 형태의 나노입자로 만들고 나노입자의 표면에 갈륨을 첨가해 기존 백금 촉매에 비해 성능을 12배 향상시켰다.

또한, 개발한 촉매를 이용해 연료전지를 제작해 가격을 30% 줄이고 수명도 2배 이상 향상시켜 실제 적용이 가능함을 증명했다.

1저자인 임정훈 연구원은 "백금 니켈 합금 촉매 표면에 갈륨을 첨가해 가열하면 촉매가 합성된다"면서 "기존 공정에도 쉽게 도입 가능하며, 대량생산이 용이해 실용화 가능성이 높다"고 강조했다.

조은애 교수는 "연료전지의 가격저감과 내구성 향상을 함께 달성한 연구 성과"라며"앞으로 수소 전기차, 발전용 연료전지의 시장경쟁력 제고가 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 에너지기술평가원, 한국연구재단 기후변화대응사업과 국방과학연구소의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 지난 11일자로 게재됐다.
내구성 평가 후의 촉매 입자 형상 변화.<자료=KAIST 제공>내구성 평가 후의 촉매 입자 형상 변화.<자료=KAIST 제공>
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