기존의 백금 촉매 대체가능한 로듐 합금 촉매 개발,

연료전지 상용화 기대
전자레인지(극초단파)의 원리 응용 친환경·초간편 양산 촉매 기술
 

<그림> 로듐 합금 나노 입자 표면에서의 전기화학적 반응 모식도

알칼리 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 알칼리 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에 이용되어 왔으며, 에너지 발생을 위한 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 로듐(Rh, rhodium) 합금을 간편히 제조하여 연료전지 성능을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.  

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 기초과학연구원 나노입자연구단 성영은 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용가능한 고성능 비백금계 로듐기반 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 높은 의존도 문제와 더불어 소재 자체의 안정성에 대한 한계가 제기되어 왔다. 연료전지용 소재는 장시간 산화 환경에 노출되기 때문에 소재의 안정성 및 내구성에 대한 엄격한 수준의 소재 기술이 요구되므로 촉매 전체의 내구성을 감소시키는 백금 및 팔라듐 합금은 치명적인 단점이 있었다.  이에 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 로듐에 대해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 로듐과 주석 합금 나노 입자가 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 현재까지 연료전지 촉매 분야에서 로듐은 백금의 보조 촉매 수준으로 사용되어 왔으나, 나노미터(nm) 수준에서의 재료의 표면 제어 기술을 사용하게 되면 고안정성 및 고활성 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것이 증명되었다. 연구진은 로듐과 주석의 합금 구조가 표면의 구조 변화로 활성점이 증대되면서 이용률이 상승하여 로듐 입자 대비 10배 이상 성능이 향상되고, 기존 백금 촉매 대비 4배의 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 적게는 12시간, 많게는 48시간 소요되던 것과 달리, 일반 가정에서 사용하는 전자레인지와 동일한 원리(극초단파, micro wave)를 이용하여 10분 내에 간편히 제조할 수 있는 기술로 개발되었다. 기존 연료전지용 소재 합성법과 달리 화학 첨가물 투입 및 추가 공정 과정이 배제되기 때문에, 신속한 소재 제조 기술 및 공정 단순화 기술 결합이 가능하였다. 그러므로 시간당 촉매 제조 생산량이 높아 향후 소재 생산 공정에 있어서도 상업적 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 연료전지용 촉매 성능 향상 뿐 아니라 기존 연료전지용 촉매에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 새로운 소재의 촉매 설계가 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 신재생에너지핵심기술사업 한국연구재단, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 촉매 분야의 국제 학술저널인 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis, IF : 10.614)에 9월 1일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Rhodium–Tin Binary Nanoparticle—A Strategy to Develop an Alternative Electrocatalyst for Oxygen Reduction
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 안민제 박사(post-doc)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 서울대학교 성영은 교수

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KIST-서울대 공동연구팀, 초경량에 형상 변형 가능한 연료전지 기술 개발
차세대 드론용 에너지원으로 각광, 체공시간 획기적으로 늘릴 핵심 기술

 

‘연료전지’는 연료로 수소와 공기를 사용하며, 전기를 발생하고 나오는 부산물로 기존의 내연기관과 다르게 ‘물’ 만을 발생해 친환경 재생에너지로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 친환경 미래 에너지원으로 주목받는 연료전지에 초경량적 설계와 유연성을 접목한 기술을 개발했다. 현재에도 상용화를 위한 기술개발이 꾸준히 이루어지고 있는 시점에서 또 하나의 기술적 장벽을 뛰어넘은 것으로 평가받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 멀티스케일 에너지시스템연구단 최만수 교수(단장), 차석원 교수와의 공동연구를 통해 초경량의 유연한(Flexible) 연료전지 스택*을 개발하고 실제 작동 시연에 성공했다고 밝혔다.
*스택(Stack) : 여러 개의 연료전지를 직렬로 배열하여 전압을 높이는 연료전지의 구조.

최근 전자기기 업체들은 점차 기기들에 유연성을 부여하여 형상을 자유롭게 변형 가능하게 하며, 변형에 따른 기기의 성능 감소를 최소화하는 추세이다. 그러나 이러한 유연 전자기기들이 모두 웨어러블 전자기기**나 피부이식형 전자기기와 같은 휴대용 전자기기에 활용되려면 전력공급원 또한 유연성을 지녀야 활용성이 높아진다. 따라서 현재 가장 많이 쓰이는 리튬이온배터리에 유연성을 부여하려는 연구가 있었으나 리튬이온배터리는 열역학적으로 더 이상의 동 부피 대비 에너지 저장량을 늘리기는데 한계가 있어 근본적인 대체 에너지원의 개발이 필요했다.
**웨어러블(Wearable) 전자기기: 차세대 미래 전자기기 기술로 착용가능한 의류, 액세서리등을 전자기기로 만든 형태. 의류 내부로 설치될 전자기기 또한 유연해야 하며, 이미 군용 등에 본 기술이 적용되고 있음.

유연성을 활용한 원통형 연료전지 스택 및 이의 실제 작동 사진

본 연구를 주도한 KIST 유성종 박사는 “현재 체공시간에 많은 한계를 지닌 드론에 본 초경량 유연 연료전지 스택을 적용할 경우, 기존 배터리 무게 기준 체공시간의 세 배 이상 늘어날 것”이라고 말했다. 또한 서울대학교 차석원 교수는 “연료전지는 친환경성 뿐만 아니라 에너지 저장량에서도 여타 에너지 저장기기에 비해 많은 장점을 지닌다”며 “연료전지 분야의 미래를 대한민국이 선도할 수 있는 초석이 될 것”이라 말했다. 서울대학교 최만수 교수는 “다양한 분야의 연구자들이 모여 분야융합을 통해 이뤄낸 값진 결과”라고 밝혔다. 본 연구에는 KIST 박사후연구원 박태현, 강윤식, 서울대학교 장세근 박사과정 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머터리얼즈(NPG Asia Materials, IF : 8.772)’에 5월 26일(금) 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) A rollable ultra-light polymer electrolyte membrane fuel cell

       - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박태현 박사후연구원
                             한국과학기술연구원 강윤식 박사후연구원, 서울대학교 장세근 박사과정
       - (공동 교신저자) 서울대학교 기계항공공학부 최만수 교수
                              서울대학교 기계항공공학부 차석원 교수
                              한국과학기술연구원 유성종 책임연구원

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한국미래기술교육硏, 11월 11일 미래형 자동차를 위한 고효율 에너지 소재 및 시스템 기술 세미나 개최

 

미래기술교육연에서 개최한 세미나에 우리 KIST의 유성종 박사님이 발제를 하셨습니다. 내용은 ·저가형 촉매 원천기술 개발 기술 - 저렴한 니켈계 촉매, MEA 백금 저감 기술 관련된 것인데요, 지난 빼빼로 데이에 개최된 세미나 소식!! 아래 링크에서 확인해보세요

 

[에너지경제 기사보기]

 

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 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소에너지 경제성 향상
 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여

 

  친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.  수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다.

  연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다.

  KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다.


  본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

 

     * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient

                    hydrogen production
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사

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