IBS, 연료전지용 다공성 나노촉매 개발 성공

정부는 지난달 17일 ‘수소경제 로드맵 보고회’를 열고 화석연료에 의존하는 현재의 산업구조를 수소를 기반으로 한 수소경제 시스템으로 전환하겠다고 밝혔다. 이 때문에 수소차 시장을 비롯해 수소 관련주들까지 들썩거리고 있는 상황이다.

수소경제라고 할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 수소자동차이다. 수소차는 수소와 산소의 화학반응에서 발생한 전기로 모터를 구동시켜 움직이는데 2~3분 정도 수소만 공급하면 충전이 되고 1회 충전으로 500~700㎞ 이동이 가능해 현재 나온 전기차보다 충전시간도 10분의 1정도로 짧고 주행거리도 길다. 더군다나 각종 오염물질을 내놓는 내연기관 자동차와는 달리 물만 배출하기 때문에 친환경 이동수단으로도 꼽힌다.

그런데 수소차의 핵심은 수소와 산소라는 화학에너지를 전기에너지로 바꿔주는 연료전지이다. 현재 연료전지의 촉매로는 백금이라는 귀금속이 사용되기 때문에 수소차를 활성화시키기 위해서는 차의 심장이라고 할 수 있는 연료전지, 그 중 촉매의 가격을 낮추는 것이 무엇보다 시급하다. 실제로 연료전지 가격의 40% 이상이 백금 촉매 때문인 것으로 분석됐다.

국내 연구진이 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이고 안정성은 대폭 높일 수 있는 기술을 개발해 화제다.

기초과학연구원 나노입자연구단은 현재 백금촉매를 대체할 수 있는 새로운 구조의 탄소기반 나노촉매를 개발하는데 성공했다고 11일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국화학회에서 발행하는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지’ 6일자 표지논문으로 실렸다.

연료전지 촉매는 연료인 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 역할을 하는데 촉매로 쓰이는 백금의 가격은 1㎏당 1억원을 훌쩍 넘는 고가이다. 또 백금촉매 연료전지는 사용시간이 길어질수록 성능이 저하된다는 문제점도 있다.

연구팀은 탄소 나노물질로 크기가 서로 다른 구멍이 뚫린 계층적 다공 나노구조를 개발해 촉매활성을 향상시킬 수 있게 했다. 연구팀이 개발한 탄소나노 촉매는 구멍의 지름이 2㎚(나노미터) 이하인 마이크로 기공, 2~50㎚인 메조 기공, 50㎚보다 큰 매크로 기공을 개발해 나노 촉매 구멍별 역할을 정밀 분석했다.그 결과 2~50㎚의 메조기공은 촉매 표면적을 넓혀 전기화학적 활성을 높이며 50㎚ 이상인 매크로 기공은 산소분자를 빠르게 수송시켜 연료전지의 성능 향상에 도움을 준다는 것을 확인했다.

연구팀은 이번에 개발한 기술을 연료전지에 적용해 분석한 결과 1만회 이상 작동시켜도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다.

성영은 IBS 부연구단장은 “이번 기술은 연료전지와 수소차의 상용화의 필수조건인 가격과 성능문제를 모두 해결해 줄 수 있는 원천기술”이라며 “수소차 이외에도 다른 신재생에너지나 에너지저장장치 용도로도 쓰일 수 있을 것”이라고 설명했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr