[투데이에너지 유정근 기자] 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 높은 성능과 내구성을 가진 촉매를 양산할 수 있는 기술이 개발됐다.
김남동 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 박사 연구팀과 유성종 수소·연료전지연구센터 박사 연구팀이 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용해 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.
개발된 촉매는 백금 촉매대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며 실제 연료전지에 적용했을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다.
연구진은 아크방전의 높은 에너지상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해됐다가 재결합되는 특징에 주목했다.
금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면 금속이 원자 수준으로 분해됐다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다.
또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다.
김남동 KIST 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라며 “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.