UNIST, 고체산화물 연료전지용 고성능 용출 촉매 개발

포항공과대·금오공대와 공동연구…"합성 가스 분야에도 응용 가능"

울산과학기술원(UNIST)은 고체산화물 연료전지용 고성능 복합 용출 촉매를 새롭게 개발했다고 12일 밝혔다.

UNIST에 따르면 에너지화학공학과 김건태 교수 연구팀이 포항공과대(POSTECH) 한정우 교수팀, 금오공대 최시혁 교수팀과 함께 기존 용출 촉매보다 철 나노 입자가 표면으로 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발했다.

용출이란 촉매 입자 내부의 금속 나노입자가 표면으로 올라오는 현상이다.

표면으로 올라온 나노입자는 촉매 성능을 높이고, 촉매끼리 뭉치는 문제를 막는 역할도 한다.

연구팀은 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간 비율을 계산 모델링으로 알아냈다.

최적화된 원소 종류와 비율에 따라 내부 원자 배열이 바뀌는 상변화가 잘 일어나고, 이는 철 입자가 촉매 표면으로 잘 용출될 수 있는 유리한 환경이 된다.

현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정 구조를 띤다.

이는 다시 망간 금속계와 철 금속계로 나뉘는데, 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계보다 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠다.

연구팀은 일반 페로브스카이트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시킬 수 있었다.

이는 기존 용출 현상의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 전략이라고 연구팀은 설명했다.

연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치로 이 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 쓸 수 있고, 발생한 폐열도 재활용할 수 있는 장점이 있다.

연료전지의 탄화수소와 산소 간 화학 반응을 촉진하는 촉매가 전지 성능을 결정하기 때문에 고성능 촉매 개발이 필수적이다.

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

연구 결과는 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications) 온라인판에 지난달 24일 공개됐다.

연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

/연합뉴스