에너지/환경

귀금속 비함유 철 연료전지 촉매제 최초로 개발

발행일 : 2012 / 12 / 19

최근 중국과학원 다랜화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실의 덩더후이(邓德会) 박사, 판슈랜(潘秀莲), 바오신허(包信和) 원사 등과 청정에너지 국가실험실 연료전지연구부는 공동으로 철로 연료전지 촉매제 중의 귀금속을 대체하는 실험을 최초로 수행했다. 관련 연구성과는 최근 <독일 응용화학>에 온라인으로 발표되었다.

수소 이용 발전은 미래 지속가능한 선진 에너지체계 발전의 중요한 목표이다. 이 목표를 달성하기 위해 주요 에너지전환장치로서의 프로톤 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane)가 대체할 수 없는 역할을 발휘할 수 있다. 그러나 이 부류의 연료전지는 백금, 팔라듐, 루테늄 등 대량 귀금속을 촉매제로 간주하기 때문에 대규모 응용에 영향을 미치고 있는 실정이다. 따라서 연료전지 전극재료 가운데 귀금속 함량을 급감시키고, 지구에 풍부한 저렴한 금속원소로 귀금속을 대체하는 것은 동 분야의 주요 기회와 도전이 되었다.

이를 위해 연구팀은 우선 철 기반의 금속나노입자를 렌티큘라(Lenticular) 구조를 지닌 탄소나노튜브 속에 혁신적으로 가두어 반응시키고, 최신 개발에 성공한 심자외선(DUV, Deep UltraViolet) 방출 전자현미경과 상하이광원의 선진 X-선 흡수스펙트럼을 활용해 이론계산과 결합하여 금속철의 활성 d전자가 탄소나노튜브 벽을 구성하는 원자와의 상호작용을 통해 탄소나노튜브 벽을 ‘통과’하여 탄소나노튜브 외부 표면에 부착된 전자로 하여금 분자산소의 환원반응(ORR)을 직접 촉매하게 하는 것을 최초로 관찰했다.

이 실험과 이론연구는 동 체계에서 나노 금속철 포장 탄소벽이 반응기체와 철 나노입자의 직접적인 접촉을 차단하며, 반응과정에서 활성 금속철 나노입자의 심층산화, 그리고 반응 분위기 속에서 기타 유해성분의 촉매제에 대한 해독을 원리적으로 회피함으로써, 나노 금속철의 연료전지 음극촉매제로서의 안정성 난제를 기본적으로 해결하였다는 것을 입증했다.

업계 전문가는 동 연구가 연료전지 촉매제의 귀금속 대체 연구를 위한 지름길을 제공했으며, 그리고 이로부터 발전한 개념이 가혹한 환경에서 운행하는 촉매제의 설계와 제조를 위해 신규 방향을 개척했다고 인정했다.