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Title [한국과학기술연구원] 인공번개로 알칼리 연료전지 단일 원자 촉매 양산 합성법 개발


- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대
- 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여

알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다.

개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다.

연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다.

KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다.

* (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 


그림 설명

 

[그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도

 

[그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함.

 

[그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌.

 

[그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.
 
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국내 기술동향
Category Tech trends(Korea)
Source 한국과학기술연구원
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