KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀, 차세대 연료전지용 백금 대체 촉매 개발 성공

값비싼 귀금속인 백금의 1/80배 가격을 가지면서도 향상된 성능을 달성

KAIST 신소재공학과 조은애 교수와 KAIST 신소재공학과 권용근 박사과정

탄소 중립에 도달하기 위해 수소가 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 수소 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 발전장치로, 중소형 발전뿐만 아니라 승용차, 버스, 선박 등과 같은 운송 수단의 동력원으로 개발되고 있다. 그러나, 현재 전극 재료로 귀금속인 백금을 사용하고 있어 가격을 낮추는 데 걸림돌이 되고 있다.

KAIST 신소재공학과 에너지 변환 및 저장재료 연구실 조은애 교수 연구팀이 백금을 대체할 수 있는 저렴하지만 고성능을 가진 전극 소재를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

KAIST 조은애 교수 연구팀은 차세대 연료전지로 개발되고 있는 음이온 교환막 연료전지용 전극 소재로 백금보다 우수한 성능을 갖는 `니켈-몰리브데넘 소재'를 개발했다고 밝혔다. 특히, 신규 개발 촉매를 실제 연료전지에 적용하는 경우 다양한 변수에 의해 실성능을 얻지 못하는 경우가 많다. 그러나, 연구팀은 이번 연구에서 이를 극복하고 실제 연료전지에 신규 개발 촉매를 적용하는 것에 성공했다.

니켈은 음이온 교환막 연료전지용 비귀금속 전극 소재로 주목받았으나, 백금 성능의 100분의 1에도 미치지 못하여 실제 적용되지 못하고 있었다. 그러나 이번에 연구팀이 개발한 니켈-몰리브데넘 촉매는 백금보다 성능이 우수하고 (백금: 1.0 mA/cm2, 니켈-몰리브데넘 촉매: 1.1 mA/cm2), 가격은 80분의 1에 불과하여 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 니켈-몰리브데넘 촉매를 연료전지에 적용하여 성능을 확보하는 데에도 성공하였다.

니켈-산화 몰리브데넘 복합체와 백금 촉매의 알칼라인 수소산화활성(좌) 및 알칼리 조건 안정성(우)

조은애 교수는 "순수한 니켈은 성능이 낮지만, 산화 몰리브데넘을 이용해 니켈의 전자구조를 변화시켜 성능을 비약적으로 향상했다ˮ고 설명하며 “공정 특성상 대량 생산에도 적합하며 향후 음이온 교환막 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

KAIST 신소재공학과 권용근 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)' 2023년 4월 5일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: A Ni-MoOx composite catalyst for the hydrogen oxidation reaction in anion exchange membrane fuel cell)

한편, 조은애 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

니켈-산화 몰리브데넘 복합체와 백금 촉매의 AEMFC 단위 전지 성능 평가 비교

□연구개요

○ 연구 내용

양성자 교환 막 연료전지는 여러 종류의 연료전지 중에서 가장 상용화에 가까운 연료전지로서 현재 다양한 분야에 적용되고 있다. 그러나 백금 촉매의 사용으로 인한 높은 가격 형성에 의해 더 넓은 시장 진출의 한계를 겪고 있는 상황이다. 이를 해결하고자 새로운 종류의 연료전지인 음이온 교환막 연료전지의 개발이 최근 각광받고 있다. 양이온 교환 막 연료전지와 달리 비귀금속 촉매의 적용이 가능한 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 그러나 양성자 교환 막 연료전지의 구동 조건인 산성에 비해 알칼라인 조건인 음이온 교환 막 연료전지에서 낮아지는 백금의 수소산화활성, 낮은 음이온 교환 막의 내구성 등으로 인해 음이온 교환 막 연료전지의 개발은 난항을 겪고 있는 중이다. 그 중에서도 기존의 백금 촉매의 수소산화활성이 양성자 교환 막 연료전지에 비해 음이온 교환 막 연료전지에서 크게 낮아진다는 점을 본 연구에서는 주목하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 알칼리 조건에서 활성이 낮은 백금 촉매를 대체하기 위하여 비귀금속 촉매의 개발을 진행하였다. 이에 니켈-산화 몰리브데넘 복합체를 개발하여 저가격 비귀금속 촉매를 실제 음이온 교환 막 연료전지에 적용하였다.

니켈-산화 몰리브데넘 촉매의 높은 활성을 규명하고자 다양한 분석 및 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하였으며 그 결과 여러 산화 몰리브데넘 종 중에서 산화수가 4인 몰리브데넘에 의하여 니켈의 전자구조가 변화한다는 것을 발견하였으며 이를 통해 니켈의 수소산화반응에 대한 활성이 비약적으로 상승한다는 사실을 밝혀내었다.

KAIST 홍보실 제공