[정보통신신문=박남수기자]

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀은 고성능 복합 용출 촉매를 개발했다.

용출은 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상이다. 표면으로 올라온 철 나노입자는 촉매 성능을 높이고, 촉매끼리 뭉치는 문제도 막는 역할을 한다.

연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치다.

그 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고, 발생된 폐열도 재활용할 수 있는 장점이 있다. 이 연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 성능을 결정하기 때문에, 고성능 촉매 개발이 필수적이다.

김 교수팀은 기존 용출 촉매 대비 철 나노 입자가 촉매 표면에 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다. 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소간 비율을 계산 모델링으로 알아낸 덕분이다. 최적화된 원소 종류와 그 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화(상전이)가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매표면으로 잘 용출 될 수 있는 유리한 환경이 된다.

현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조(원자배열 모양)를 갖는다. 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비하여 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.

제 1저자인 김현민 연구원(에너지화학공학과 석‧박사통합과정)은 “일반 페로브 스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시켰다”며 “이는 기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략”이라고 설명했다.

개발된 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 활용해 수소 연료를 주입했을 경우 700 oC에서 200시간 동안 약 0.5 W cm-2의 전력을 안정하게 생산했다. 또한, 이 촉매를 고체산화물 공전해 전지로 작동시켜서 합성 가스를 만드는 반응에 사용했을 때 시간당 30 ml cm-2의 수소와 약 650 ml cm-2의 일산화탄소를 만들어 내는 성능도 보였다. 연료전지에서 전기를 만드는 반응을 거꾸로 돌리면 수소와 공업용 원료인 일산화탄소를 만들 수 있다.

김건태 교수는 “환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있다고”며 “이번에 개발된 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

POSTECH 한정우 교수팀, 금오공대 최시혁 교수팀이 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 11월 24일자 온라인 판에 공개됐다. 본 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

박남수 기자 다른기사 보기