[시사매거진/광주전남] 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 성능평가를 위한 원천기술을 확보함으로써 수소연료전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 계기를 마련했다.
수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 수소연료전지에는 이들의 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 귀금속인 백금을 촉매로 사용했으나, 백금의 희소성과 높은 가격이 상용화에 큰 걸림돌이었다. 따라서 최근에는 이를 대체할 수 있는 저렴한 촉매에 관한 연구가 활발하다.
그 중 철, 질소, 탄소로 구성된 단원자 철 기반의 촉매가 효율적인 산소환원반응 촉매로 주목받고 있다. 하지만 단원자 촉매의 성능 진단기술의 부재로 촉매 성능의 주요 결정인자인 활성점 밀도 전환빈도 파악에 어려움을 겪고 있다.
| *산소환원반응: 수소연료전지의 양극에서 일어나는 반응으로, 산소가 전자와 양성자와 반응해 물로 환원되는 반응. |
| *활성점 밀도: 촉매 표면에서 반응물질이 촉매 작용을 받는 부위의 밀도. |
| *전환빈도: 반응물이 촉매의 활성점당 단위 시간당 반응하는 분자의 수. |
연구팀은 철 기반 단원자 촉매에 사이안화 이온(CN-)이 비가역적으로 흡착할 수 있다는 점에 착안하여 촉매 성능 결정인자인 활성점 밀도 및 전환빈도를 측정하는 기술을 고안하였다.
특수하게 고안된 반응기를 이용하여 철 기반의 단원자 촉매에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착하였다. 이때 흡착된 사이안화 이온의 양을 자외-가시선(UV-Vis) 분광법으로 정량화하였고, 동시에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착한 촉매의 산소환원 반응성 감소량을 측정하였다. 이를 통해 촉매의 활성점 밀도와 전환빈도를 성공적으로 도출할 수 있었다.
나아가 다른 전이금속 귀금속 기반의 단원자 촉매와 상용으로 널리 이용되는 백금 촉매의 성능 결정인자를 도출함으로써 개발한 진단기술의 범용성을 입증했다.
| *전이금속: 주기율표상에 위치하는 4~7주기, 3~11족의 금속원소. |
지스트 최창혁 교수는 “이번 연구성과는 최근 상용화에 근접한 철 기반 단원자 촉매의 성능평가 원천기술을 확보하였다는데 가장 큰 의의가 있다”면서, “추후 해당 기술을 활용하여 고활성을 가지는 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
본 연구는 미래소재디스커버리사업, 개인기초연구사업(신진) 그리고 한국과학기술연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 연구성과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘오픈어세스 미국화학회지 (JACS Au)’에 4월 13일(화) 온라인 게재되었다.
나현 기자 skgusskgussk@hanmail.net
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