KAIST, 수소연료전지 성능 대폭 높이는 나노촉매 개발

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 정우철·김상욱 교수가 충남대학교 김현유 교수와 금속 나노 소재를 이용해 수소 연료전지 성능을 대폭 높이는 나노촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.

이에 따라 연료전지를 비롯해 물 분해 수소생산 등 다양한 환경 친화적 에너지기술에 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

10나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 이하 크기의 금속 나노입자는 극도로 적은 양으로 높은 촉매 활성을 보일 수 있다는 가능성 때문에 최근 에너지 및 환경기술 분야에서 큰 관심을 받고 있다.

그러나 이 신소재들은 매우 비싸고 높은 온도에서 입자들끼리 뭉치면서 촉매 활성이 떨어지는 고질적인 문제가 남아 있었다.

600도 이상의 높은 온도를 활용해 초고효율 발전 방식으로 주목받는 고체산화물 연료전지도 활용성 측면에서 회의적인 시각이 존재했다. 또 각 금속 입자의 촉매 효율 향상 수치에 대한 정확한 연구 결과가 없어 해당 분야 발전에 한계도 있었다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 세계적으로 인정받는 블록공중합체 자기조립을 이용한 금속 나노패턴 기술을 통해 산화물 연료전지 전극 표면에 10나노미터 크기의 균일한 금속 나노입자들을 균일하게 합성하는 데 성공했다.

또 이를 통해 하나의 입자가 갖는 촉매 특성을 고온에서 정확히 분석해 연료전지의 성능을 극대화하는 기술을 개발했다.

연구팀은 대표적 귀금속 촉매인 백금의 경우 300나노그램(약 0.015원 가치)의 적은 양으로도 연료전지의 성능을 21배까지 높일 수 있음을 확인했다.

이 밖에도 백금 외에 많이 활용되는 촉매인 팔라듐, 금, 코발트 등의 금속 촉매 특성을 정량적으로 파악 및 비교했고, 이론적 규명을 통해 촉매 성능이 향상되는 정확한 원리를 밝혔다.

정우철 교수는 “단순히 값비싼 촉매의 양을 늘리는 비효율적인 방법을 사용하던 기존 틀을 깨고 매우 적은 양의 나노입자를 이용해 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 명확한 아이디어를 제시했다”고 의미를 부여했다.

이어 "이 기술은 금속촉매가 사용되는 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 높은 유연성을 갖고 있어 향후 연료전지, 물 분해 수소생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 나노소재원천기술사업의 지원으로 수행됐다.

KAIST 최윤석·차승근 박사, 충남대 하현우 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인 판에 지난 18일 3월호 표지에 선정됐다.

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