수소 자동차에 사용하는 연료전지의 가격은 낮추고 성능은 향상시킬 수 있는 새로운 촉매가 나왔다.
11일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 이 연구원 소속 나노입자 연구단 연구팀은 최근 수소자동차에 사용하는 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이는 새로운 촉매 개발에 성공했다.
수소자동차 연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 동력원이다. 에너지 변환 효율은 약 70% 수준으로 연료 사용 시 물만 발생해 친환경 수단으로 꼽힌다.
그러나 기존 연료전지는 수소와 산소간 화학 반응을 위한 촉매로 백금을 사용해 실제 상용화에 한계가 있다. 백금이 1킬로그램(kg) 당 약 1억원 이상의 가격을 형성하고 있는데다 사용할수록 전기 생산 성능이 급격히 저하되는 문제를 갖고 있기 때문이다.
연구팀은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발해 이같은 문제를 해결했다. 이 나노 촉매는 크기가 다른 구멍이 뚫린 구조로 촉매 반응을 활성화하는 것이 특징이다.
나노 촉매의 구멍은 총 3가지 종류로 직경에 따라 ‘마이크로 기공(<2nm)’, ‘메조 기공(2~50nm)’, ‘마크로 기공(>50nm)’으로 나뉜다. 이 중 메조 기공은 촉매의 표면적을 넓히고, 마크로 기공은 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 옮겨 전지 성능을 높인다.
실제 연구팀은 나노 촉매를 적용한 연료전지의 구동 성능을 분석해 일관된 성능 향상을 확인했다. 이 연료전지는 1만회 이상 구동 시에도 백금 기반 촉매 전지와 같은 활성화 저하 현상이 나타나지 않았다.
이 나노 촉매를 사용하면 수소연료전지를 사용하는 수소자동차 발전과 다양한 전기화학 응용 장치의 효율을 높일 것으로 기대된다.
성영은 기초과학연구원 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼 수소차 산업 발전에도 기여할 것"이라고 밝혔다.
한편 이번 연구 성과는 지난 6일 화학분야 학회지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 실렸다.