부산대, 수전해와 수소연료전지 사용하는 新 촉매 개발

기존 촉매 대비 3배 효율적, 10시간 성능 유지 가능

[수소뉴스 = 양인범 기자] 부산대학교 연구진이 물에서 수소를 뽑아내는 수전해 기술과 수소 연료전지에 사용하는 새로운 촉매를 개발했다. 지금까지 촉매로 쓰여 온 비싼 백금에 저렴한 니켈을 섞은 나노 크기 입자를 그래핀에 결합한 것으로, 기존 촉매보다 최대 3배나 효율적이면서도 10시간 이상 성능을 유지해 차세대 에너지 기술의 혁신이 기대된다.

부산대학교는 재료공학부 이정우 교수팀이 백금 기반 합금의 정밀한 조성 변화를 통한 격자 수축 제어와 나노합금 입자-그래핀 이종원소 결합을 통해 높은 전류 밀도를 갖는 수전해 및 수소 연료전지용 촉매 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

수소 에너지는 높은 질량당 에너지 밀도와 연소 시 이산화탄소 미발생과 같은 특성으로 차세대 신재생 에너지로 주목받고 있다.

이 중 수전해 및 연료전지 기술은 탄소 기반의 물질이 사용되지 않으면서 수소 에너지를 생산하고 활용할 수 있는 기술로, 많은 연구가 이뤄지고 있다. 현재는 백금(Pt) 나노 입자가 담지된 비정질 탄소 재료인 백금·카본 블랙을 상용 촉매로 활용하고 있다.

하지만 백금·카본 블랙은 백금의 비싼 가격과 적은 매장량 및 카본 블랙의 낮은 장기 안정성으로 인해 대량 생산과 상용화 측면에서 어려움을 겪고 있다.이에 부산대 이 교수팀은 백금의 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시키기 위한 연구를 진행했다.

니켈(Ni)은 전이금속 중 하나로, 백금 가격의 약 1/2000 정도이며 백금과 혼합해 합금 형태로 제작 때 수소 생산과 산소 환원에서의 시너지를 일으켜 보다 높은 촉매 특성을 보여주는 것으로 알려져 있다.

연구진이 개발한 소재는 마이크로파를 활용한 용액상 공정으로, 수 나노 크기의 균일한 백금-니켈 나노합금 입자를 질소 도핑된 그래핀의 표면에 담지하는 방식으로 제작됐다. 이는 수 분 내에 수 나노 크기의 균일한 소재 제작이 가능해 공정 과정에서 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

제작된 촉매는 최적화된 백금-니켈 조성을 갖는 합금 클러스터와 질소 도핑된 그래핀 간의 시너지로 인해 기존에 사용되는 백금·카본 블랙 소재보다 산소 환원 반응에서 약 3배 이상 향상된 비면적 활성도 및 질량 활성도를 보였으며, 수소 생산 반응에선 약 2배 정도 향상된 비면적 활성도, 질량 활성도를 나타냈다.

최종 구현된 촉매는 아연-공기 2차 전지에 적용됐다. 기존 상용 백금 및 이리듐 촉매보다 약 2배 이상 높은 전력 밀도를 나타냈다. 10시간 이상 충·방전 시에도 초기의 활성을 유지했다.

또 연구팀은 촉매 표면에서 생산된 수소를 포집해 시간에 따른 부피 변화를 관찰했으며, 일정 시간마다 포집된 수소의 양이 선형적으로 증가해 안정적으로 수소 생산이 가능하다는 것을 확인했다.

이런 결과들을 바탕으로 제작된 촉매는 차세대 에너지 생산 및 활용 소재로서 수소 자동차, 버스 등의 모빌리티나 발전 시스템 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

이 교수는 “이번 연구 결과는 마이크로파 가열을 통한 고속 합성 공정과 백금-니켈 조성 변화를 통해 격자 수축 정도를 제어하고 나노합금 클러스터-질소 결합 형성으로 기존의 백금 촉매보다 높은 촉매 활성을 달성했다는 데 의미가 있다”며 “빠르고 간단한 촉매 제작 공정과 더불어 백금 사용량을 줄이면서 동시에 촉매의 활성과 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에 앞으로 많은 활용이 기대된다”고 말했다.

이 논문은 세계적인 과학저널 ‘에코맷 (EcoMat)’ 2024년 12월 15일자에 게재됐다. 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

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출처 : 수소뉴스(http://www.h2news.co.kr)

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