기계/재료

중국과기대, 신형 나노와이어 개발로 연료전지 가격 대폭 인하될 듯

발행일 : 2018 / 12 / 10

최근 중국과학기술대학 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학국가연구센터 쩡제(曾傑) 연구팀은 후난(湖南)대학 황훙원(黃宏文) 연구팀과 공동으로 뛰어난 촉매 활성 및 안정성을 동시에 보유한 양성자교환막 연료전지 음극 촉매를 개발하였다. 해당 성과는 “Journal of the American Chemical Society”에 게재되었다.

양성자교환막 연료전지는 무공해, 높은 에너지 효율, 출력 조절이 가능한 등 장점을 보유하고 있어 미래 전기자동차의 가장 이상적인 구동전원으로 각광받는다. 하지만 양성자교환막 연료전지의 음극은 산소환원반응의 동역학 거동이 매우 느리기에 대량의 귀금속 백금나노촉매를 전극 촉매로 사용해야만 전지의 고효율적 운행을 유지할 수 있다. 이는 양성자교환막 연료전지의 대폭적인 원가 상승을 초래하며 따라서 대규모 상업화 응용을 제한한다.

기존 산소환원반응에서 백금계 촉매의 질량당 활성 및 촉매 안정성 향상은 귀금속 백금의 사용량을 줄이는 주요 경로이지만 이렇게 획득한 촉매는 대부분 안정성 요구를 충족시키지 못한다.

연구팀은 백금계 촉매의 규모, 사이즈, 성분 등 정밀 조절을 통해 극세 백금/니켈/로듐 삼성분 금속 나노와이어 촉매를 개발하였다. 해당 나노와이어는 지름이 1nm 미만밖에 안 된다. 또한 전체 백금원자에서의 표면 백금원자 비율을 50% 이상에 도달시키는 등 매우 높은 원자 이용률을 달성함으로써 촉매의 질량당 고활성을 구현하는데 구조적 기반을 마련했다.

산소환원 촉매시험 결과, 탄소 담지 극세 백금/니켈/로듐 삼성분 금속 나노와이어 촉매의 질량당 활성은 기존 상업용 백금/탄소 나노촉매의 15.2배에 달하였다. 뿐만 아니라 산소분위기에서 10,000회 순환사용 후에도 질량당 활성 성능은 12.8% 밖에 손실되지 않는다. 같은 조건에서 기존 상업용 탄소 담지형 백금 나노촉매는 73.7%의 질량당 활성 성능을 상실한다. 신형 촉매의 질량당 활성 및 촉매 안정성은 모두 뚜렷하게 향상되어 뛰어난 응용 잠재력을 보유한다.