연구성과

화공 이진우 교수팀, 연료전지 촉매제 활용 가능한 다공성 탄소 합성

2015-07-27338
  비싼 몸 ‘백금’ 대신할 ‘탄소’ 촉매 만들었다
화공 이진우 교수팀, 연료전지 촉매제 활용 가능한 다공성 탄소 합성
 
에너지 고갈과 화석에너지 사용으로 인한 환경공해 문제를 동시에 해결할 대안으로 알려진 연료전지는 촉매의 비싼 ‘몸값’ 때문에 상용화나 보급에 어려움을 겪고 있다.
화학공학과 이진우 교수, 통합과정 이성규씨 팀이 서로 다른 원소를 씌운 다공성 탄소를 합성, 연료전지 속에서 환원반응이 일어나는 환원극 속 촉매로 활용하는데 성공했다.
 
세계적 화학지 안게반테케미(Angewandte Chemie)지를 통해 발표된 이 연구결과는 기존 백금 촉매 가격의 10%밖에 안되지만, 실제 성능은 백금과 거의 유사한 성능을 보여 관심을 모았다.
 
연료전지 자동차나, 가정용 연료전지, 이동형 연료전지 등에 활용되는 고분자 전해질 연료전지는 이 환원극에 들어가는 촉매가 값비싼 백금을 사용하고 있어 상용화에 큰 어려움을 겪었다.
최근 이 백금촉매를 대체한 수단으로 서로 다른 원소를 도핑한 탄소를 촉매로 만드는 연구가 진행되어 왔지만, 이런 비금속계 촉매를 실제 연료전지 시스템에 적용하는 연구는 아직 진행되지 않은 상태였다.
 
연구팀은 우선 구조가 규칙적인 다공성 탄소를 블록공중합체의 자가조립 현상을 이용해 간단히 합성한 다음, 연료전지의 단위전지에 적용했다. 다공성 탄소를 이용한 것은 구멍의 크기가 커 반응물질 전달을 원활하게 해 전달과정에서 일어나는 저항을 낮추고, 반응이 일어나는 표면적을 높여 효율을 높일 수 있기 때문.
 
그 결과 상용 백금 촉매의 70%의 성능을 얻었고, 비금속계 촉매가 실제로 연료전지에 적용될 수 있다는 것을 밝혀냈다.
 
이와 함께 연구진은 이러한 이종(異種)원소가 도핑된 탄소에서 이종원소의 위치를 조절하는 방법도 함께 개발, 위치에 따른 연료전지 성능의 영향도 처음으로 규명했다. 이 성과는 연료전지 뿐 아니라 이산화탄소 환원 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
 
한편, 이 성과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업 (핵심)’과‘일반연구자지원사업(모험)’의 지원으로 수행됐다.