UNIST, 연료전지용 고성능 복합 용출 촉매 개발

(울산=뉴스1) 조민주 기자 = UNIST(울산과학기술원)는 김건태 에너지화학공학과 교수 연구팀이 고체산화물 연료전지의 핵심인 '고성능 복합 용출 촉매'를 개발했다고 12일 밝혔다.

연구팀에 따르면 연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치다. 이 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고, 발생된 폐열도 재활용할 수 있는 장점이 있다.

연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 성능을 결정하기 때문에, 고성능 촉매 개발이 필수적이라는게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 기존 용출 촉매 대비 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다.

용출은 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상을 말하는데, 표면으로 올라온 철 나노입자는 촉매 성능을 높이고 촉매끼리 뭉치는 문제도 막는 역할을 한다.

연구팀은 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간 비율을 계산 모델링으로 알아냈다.

최적화된 원소 종류와 그 비율을 적용하면 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매 표면으로 잘 용출 될 수 있는 유리한 환경이 된다.

현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조(원자 배열 모양)를 갖는다.

이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데, 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비해 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.

연구팀은 일반 페로브스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시켜 기존 용출 현상의 한계점을 극복했다.

김 교수는 "산소가 부족한 환경에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있었다"며 "이번에 개발된 용출 촉매는 연료전지 뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구에는 한정우 포스텍(POSTECH) 교수팀, 최시혁 금오공대 교수팀이 참여했으며, 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 11월 24일자 온라인 판에 공개됐다.

본 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

minjuman@news1.kr