[에너지코리아뉴스] 수소시대의 주역중 하나이자 차세대 에너지원으로 주목받는 연료전지의 보급확대에 걸림돌은 매장량이 부족해 가격이 비싼 백금촉매를 주로 사용한다는 점이다. 고성능을 내기 위해서는 백금 합금촉매를 사용해야 한다. 그러다보니 연료전지 역시 고가일 수밖에 없다. 최근 한국 연구진이 참여한 한 연구에서 합금촉매의 제조 가격을 절감하고 성능과 내구성을 최대화 할 수 있는 새로운 합금촉매 합성 공정이 개발됐다.
 

전 세계 화학공정의 85% 이상은 촉매를 사용하는 촉매화학공정으로 공정에 사용되는 촉매는 대부분 합금 형태로 이루어져 있다. 합금촉매의 제조를 위해서는 여러 단계에 걸친 복잡한 제조 공정을 거쳐야 하며 개중에는 800도 이상의 열이 필요한 공정도 있어 에너지를 많이 소비하는 공정으로 평가받고 있다.

특히 차세대 에너지원으로 손꼽히고 있는 연료전지의 경우, 고성능을 위해 백금 합금촉매를 주로 사용하고 있으나 주재료인 백금의 매장량 부족으로 가격이 매우 비싸고, 사용 중 촉매의 성능 저하가 심각해 가격 절감과 효율 향상을 위한 기술 개발이 무엇보다 시급한 상황이다.

한국에너지기술연구원(이기우 원장) 융합소재연구실 김희연 박사팀은 한국과학기술원(KAIST), 옥스퍼드 대학(Oxford University) 연구팀과 함께 합금촉매의 제조 가격을 절감하고 성능과 내구성을 최대화 할 수 있는 새로운 합금촉매 합성 공정을 개발했다.

연구팀은 기존의 복잡한 합금촉매 제조 공정을 단일화한 ‘단일 화학기상증착공정(One-pot CVD process)’을 세계 최초로 개발하고 500도 이하에서 최적의 결정 구조를 가진 연료전지용 백금-코발트 나노합금촉매를 합성하는데 성공했다.

‘단일 화학기상증착공정’은 촉매 물질을 포함하고 있는 기체상태의 전구체를 이용해 낮은 온도에서도 짧은 시간 동안 최적의 나노합금입자를 합성할 수 있는 공정이다. 전구체는 어떠한 화합물을 합성하는 데 필요한 원료 물질이다. 기존의 합금촉매는 두 종류 이상의 금속 결정이 코팅된 촉매 물질을 800도 이상에서 수소열처리해 합금화하는 반면, 이번에 개발된 공정은 두 종류 이상의 촉매 전구체를 기체화한 후 원자 상태에서 제어함으로써 저온에서도 최적 구조의 나노합금촉매를 합성할 수 있다.

이 기술을 적용하면 촉매 합성에 필요한 에너지를 크게 낮춰 제조 단가를 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 혼합-건조-소성-2차 혼합-건조-소성-고온 수소처리 등기존의 여러 단계에 걸친 복잡한 합금촉매 합성 공정을 단 한 단계로 대체할 수 있다. 즉, 하나의 반응기를 사용해 합금촉매 성분을 순차적으로 증착하고, 낮은 온도에서의 열처리만으로 최적 구조의 합금촉매를 합성할 수 있게 된 것이다.

이 공정에 의해 제조된 연료전지용 백금-코발트 합금촉매는 기존의 백금 합금촉매에 비해 백금 사용량을 5배 이상 절감하면서도 6배 이상 높은 성능을 나타내 기술의 우수성을 입증했다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 세계 최고 권위의 소재 분야 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 9월호 표지 논문으로 선정됐다.
 

에너지기술연구원 김희연 박사는 “이번에 개발된 공정을 활용하면 합금 촉매 제조비용을 절감하면서도 성능을 최대화 할 수 있어 현재 95% 이상 수입에 의존하고 있는 국내 촉매 시장에서 국산 촉매의 활용 비율을 높일 수 있을 것으로 기대한다”며, “현재 개발된 합금촉매 합성기술을 연료전지뿐만 아니라 다양한 화학공정용 촉매의 합성에 적용하고 있으며, 후속 연구를 통해 합금촉매의 대량 생산 공정을 개발할 예정”이라고 밝혔다.

한편, 연구진은 한국과학기술원 김상욱 교수 연구팀, 옥스퍼드 대학 제이미 워너(Jamie H. Warner) 교수 연구팀과의 협력을 통해 이차전지 및 전기화학적 수소생산촉매기술을 개발하고 원자단위 구조분석을 진행 중이며, 이번 연구에 포함된 기술과 관련한 10여 건의 국내외 특허를 확보하고 있다고 전했다.