UNIST, 연료전지용 고성능 복합 용출 촉매 개발

김건태 UNIST 에너지화학공학과 교수. (사진=UNIST)

[이데일리 김정유 기자] 울산과학기술원(UNIST·이하 유니스트)은 김건태(사진) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 고체산화물 연료전지의 핵심인 고성능 복합 용출 촉매를 개발했다고 12일 밝혔다.

연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치다. 이중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고 발생된 폐열도 재활용할 수 있다. 탄화수소와 산소간 화학반응을 촉진하는 촉매가 성능을 결정하는만큼, 고성능 촉매 개발이 필수다.

용출은 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상으로, 촉매 성능을 높이고 촉매끼리 뭉치는 문제도 막아주는 역할을 한다. 김 교수팀은 기존 용출 촉매대비 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다. 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소간 비율을 계산 모델링으로 알아냈다.

현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조(원자배열 모양)를 갖는다. 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉜다. 철 금속계 자체 성능은 망간 금속계에 비해 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.

제 1저자인 김현민 연구원은 “일반 페로브스카이트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시켰다”며 “이는 기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략”이라고 말했다.

이번에 개발된 촉매를 활용, 고체산화물 연료전지에 수소 연료를 주입했을 경우 700도에서 200시간 동안 약 0.5 W cm-2의 전력을 안정하게 생산한다. 이 촉매를 고체산화물 공전해 전지로 작동시켜서 합성가스를 만드는 반응에 사용했을 때도 시간당 30㎖ cm-2의 수소와 약 650㎖ cm-2의 일산화탄소를 만들어 냈다.

김건태 교수는 “환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있다”며 “이번에 개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편 포스텍 한정우 교수팀, 금오공대 최시혁 교수팀이 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 11월24일자 온라인 판에 공개됐다. 이번 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

김현민(제1저자) 연구원과 오진경 연구원. (사진=UNIST)