수소 연료전지가 미래 친환경 에너지 시스템의 핵심 기술로 주목받고 있지만, 귀금속인 백금의 다량 사용과 연료전지 구동 과정에서 발생하는 탄소 지지체 부식 문제가 성능 저하를 유발하며 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다.
이런 한계를 극복하기 위해 KAIST 연구진이 새로운 촉매 기술을 선보이며 수소 연료전지 수명을 획기적으로 연장하는 성과를 거뒀다.
KAIST 신소재공학과 정연식 교수와 조은애 교수 공동 연구팀은 수소전기차의 핵심 부품인 연료전지에 활용 가능한 고내구성 촉매 소재를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 연료전지 구동 환경에서 수천 시간에 해당하는 강도의 2만 사이클 내구성 평가를 거친 뒤에도 초기 성능에 가까운 수준을 유지하며, 기존 상용 촉매 대비 약 62% 이상의 출력 밀도를 유지하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 성과의 핵심으로 ‘3차원 자이로이드 나노구조체 기반 촉매 플랫폼’을 개발했다고 설명했다.
자이로이드 나노구조체는 3차원적으로 길게 연결된 구조로 전기적 연결성이 우수하며, 이온과 기체가 이동할 수 있는 빈 통로가 많아 차세대 에너지 소재로 각광받고 있다.
연구팀은 자기조립 특성을 가진 고분자를 활용해 3차원 자이로이드 구조체를 합성하고, 백금 입자를 강한 결합으로 고정해 연료전지 구동 시 발생할 수 있는 백금 입자의 이동과 뭉침을 원천 차단했다.
특히 자이로이드 내부 공간을 비우는 설계를 통해 전해질이 더 원활히 출입할 수 있도록 했으며, 이를 통해 기존 구조체 대비 약 3.6배 넓은 촉매 표면적을 확보했다.
또 고분자 내 포함된 피리딘 성분을 이용한 질소 도핑 기술을 적용해 우수한 전기전도성과 촉매 활성도, 내구성을 동시에 확보했다.
정연식 교수는 이번 연구에 대해 “고분자 자기조립 제어 기술을 기반으로 기계적·화학적으로 견고하고 물질 전달 능력이 우수한 신규 지지체 소재를 설계해 촉매의 수명과 활성도를 획기적으로 개선할 수 있음을 입증했다”며, “이 기술은 차세대 에너지 전환 기술에 있어 귀금속 촉매 지지체 소재 개발 방향성을 제시할 것”이라고 강조했다.
출처 : 전기신문(https://www.electimes.com)
윤재현 기자(mahler@electimes.com) 제보
입력 2024.12.05 08:22
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