| 중국과학자, 연료전지 촉매제의 귀금속대체 성과 | ||
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 수소는 무한정인 물 또는 유기물질을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용후에 다시 물로 재순환되어 자원고갈의 우려가 없으므로 화석연료 자원이 부족한 국가에서 적합한 에너지원으로 각광받고 있다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 전기에너지에 비해 수소에너지가 경제성이 너무 낮아 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구가 활발히 추진되고 있다. 하지만 연료전지에서 공기중의 산소분자를 활성산소원자로 환원시키는 음극재료 및 수소분자의 분해를 촉진하는 양극재료를 만드는데 모두 백금, 팔라듐, 루테늄 등의 귀금속 촉매제가 대량으로 사용되기에, 연료전지의 대량 응용을 제약하는 요소가 되었다. 따라서 연료전지 전극재료의 귀금속 함량을 대폭 줄이기 위해서는 저가의 금속원소로 귀금속을 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 연구결과, 금속철 및 불포화 배위철을 함유한 저가 화합물은 뛰어난 촉매산화환원반응(ORR)의 특성을 지니지만, 촉매과정에서 활성 저가 철원자가 극히 쉽게 과산화되며, 형성된 배위포화 고가의 철산화물(Fe2O3)은 연료전지가 작동하는 산성환경에서 신속히 부식용해되면서 전지 전극이 빠르게 촉매반응활성을 상실하는 것으로 나타났다. 중국과학원 대련화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실의 떵더후이(鄧德會)박사, 판시우리엔(潘秀蓮)연구원, 바오신허(包信和)원사 등은 청정에너지국가실험실 연료전지연구부서와 협력하여 탄소나노튜브 구속효과의 연구성과를 토대로 창의적인 합성제조방법을 고안해냈고 철베이스금속 나노입자를 콩깍지모양(Bean-Pod-Like)구조의 탄소나노튜브의 캐비티(Cavity)안에 고정화 시켰다. 연구팀은 독자적으로 제작한 심자외선 전자현미경 (DU-PEEM)과 상해광원(上海光源)의 x선 흡수분광법(XAS)을 이용하였고 이론계산과 결부시켜 처음으로 금속철의 활성 d전자가 탄소튜브벽을 구성한 탄소와 상호작용하여 벽을 “관통(Penetrating)”한 다음, 튜브의 외부표면에 집결되어 있던 전자를 직접 촉매시켜 느린 산소환원반응(ORR)을 일으키는 현상을 관찰하였다. 실험과 이론연구를 통해, 나노금속철을 감싸고 있는 탄소벽은 반응기체와 철나노입자와의 직접적인 접촉을 차단하기 때문에, 원리적으로 반응과정에서 활성 금속철 나노입자의 과산화현상 및 반응분위기에서 기타 유해성분으로 인한 촉매제 중독현상을 피하였다. 이로써 연료전지 음극촉매제로서의 나노금속철의 안정성 문제를 근본적으로 해결하였다. 금속나노입자를 감싸고 있는 탄소튜브벽에 불순물(질소원자)을 도핑하여 그 중에 감싸인 금속나노입자의 성분을 변화시키는 방법으로 전극재료의 촉매성능을 조절제어할 수 있다. 탄소나노튜브벽의 질소도핑농도가 3.3wt%이고, Fe-Co나노합금을 감쌀 경우, 완전히 같은 조작조건에서 전지의 파워밀도는 20%Pt-C촉매제의 60%에 달한다. 특히 10ppm의 유해성분인 황(SO2)이 존재할 경우에도 전지는 여전히 뛰어난 활성과 안정성을 유지한다. 이 연구결과는 “Angewandt Chemie International Edition”(2012, DOI: 10.1002/anie.201204958) 온라인에 발표되었다. 이 연구는 연료전지 촉매제의 귀금속 대체연구를 위해 효과적인 경로를 제공하였다. 또한 촉매 “갑옷(Chainmail for catalyst)”이라는 개념을 파생시켜 향후 가혹한 조건에서 사용되는 촉매제의 설계와 제조를 위해서도 새로운 방향을 개척하였다. 이 논문은 획기적 성과가 인정받아 “Angewandt Chemie International Edition” 학술지 발간 125주년을 기념하는 특별간행물로 2013년 제1호에 등재될 예정이다. 이 연구는 국가자연과학기금위원회와 과기부 등의 지원을 받아 수행되었다. 정보출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201212/t20121213_3707140.shtml |
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