연구성과

화공 한정우 교수팀, ‘독기 빠진’ 황 촉매 있다?!

2020-08-06 304

[독성 없는 연료전지용 니켈 기반 합금 촉매 설계]

고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cells, 이하 SOFC)는 수소 또는 탄화수소연료를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 친환경 에너지원이다. 다른 발전원에 비해 가격이 저렴하고, 오염물질을 적게 배출하며, 태양열이나 풍력 발전보다 공간 효율성도 높다. 하지만 SOFC는 수소와 탄화수소를 연료로 사용할 경우, 황(sulfur)에 쉽게 오염되어 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다. 최근 POSTECH 연구진이 기존 SOFC의 문제점을 극복한 소재를 개발했다.

화학공학과 한정우 교수, 박사과정 조아라씨 연구팀이 밀도범함수이론(DFT)*1을 기반으로 다양한 니켈(Ni) 기반 합금 표면에서 각 합금 물질의 황 피독 저항성에 대한 영향을 체계적으로 분석하고, 최종적으로 니켈-금 촉매를 제시했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘카탈리시스 사이언스 앤 테크놀러지(Catalysis Science & Technology)’에 최근 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 표지논문(Back Cover)으로 선정됐다.

현재 SOFC의 연료로 주로 사용하는 수소는 생산과 저장이 까다로워 생산원가가 매우 비싸다. 산화전극에는 니켈이 촉매로 사용되는데 다른 연료전지와 비교하면 저렴하지만, 연료에 포함된 황에 의해 오염된다. 또, 탄화수소 연료를 사용하게 되면 수 시간 이내에 전극에 탄소가 침적(coking)돼 전극이 파손되어 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 없다.

황으로 인한 오염을 줄이는데 가장 큰 걸림돌은 어떤 물질의 조합이 효과적인지 예측하기 어렵다는 것이다.

이에 연구팀은 연료 속의 황 불순물로 촉매가 망가지지 않는 다양한 전이금속 합금을 조사했다. 구리(Cu), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au) 등의 전이금속을 니켈의 표면에 합금하면서 황화수소(H2S)을 분해 반응을 살펴봤다.

이를 통해 니켈과 금의 조합이 가장 효과적이라는 결론을 얻고, 이를 바탕으로 황화수소 분해 반응 동안 중간체에 흡착하거나 활성화 에너지에 미치는 등 황 피독 저항성이 높은 니켈-금 촉매를 설계했다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “이번 연구는 기존 니켈 촉매를 개선하기 위하여 각 합금 물질의 황 피독(被毒, poisoning) 저항성에 대한 영향을 체계적으로 분석하고, 최종적으로 니켈-금 촉매를 제시했다”며, “친환경 고체 산화물 연료전지의 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업, 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업, 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 지원으로 수행됐다.
 


1. 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)
물질, 분자 내부의 전자의 거동과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다. 이를 통해 소재의 구조와 성질 등을 예측할 수 있다.